预压装配式预应力混凝土框架中柱失效下的结构连续倒塌试验研究

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近年来我国积极推行预制装配式结构的发展与应用,与现浇钢筋混凝土结构相比,装配式混凝土结构在意外荷载作用下,结构更容易发生连续倒塌。目前大部分的结构抗连续倒塌研究主要集中于现浇结构,关于装配式混凝土结构较少有人涉及。课题组前期对预压装配式预应力混凝土框架结构之前的系列相关研究表明其具有良好的抗震性能和可靠的节点连接性能,本文依托于国家自然科学基金项目的支撑,对预压装配式预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌性能进行进一步的研究。本文进行了一榀两层两跨预压装配式预应力混凝土平面框架连续倒塌试验、理论和数值模拟研究。试验探究了框架在中柱失效下的裂缝开展、变形能力、受力机制、替代传力路径和破坏模式;理论分析了框架的变形和受力,并利用非线性动力响应评估预压装配式预应力混凝土框架的抗连续倒塌性能;建立了ABAQUS/Ex-plicit准静态过程的有限元模型,得到全过程的框架受力状态,系统研究了预压装配式预应力混凝土平面框架抗连续倒塌性能与倒塌机制。本文的主要研究内容和成果如下:(1)采用静力试验加载方案进行预压装配式预应力混凝土平面框架在中柱失效下的连续倒塌试验,研究了框架的破坏现象、裂缝发展、位移-荷载曲线、框架层间位移、梁柱钢筋应变、梁柱转角和钢绞线应力的等,试验结果表明预压装配式预应力混凝土框架具有良好的抗连续倒塌性能。在小变形阶段受力机制为梁机制(包括弹性阶段、弹塑性阶段和塑性铰发展阶段),框架梁端弯矩和压拱效应的共同作用提供主要抗力;在大变形阶段受力机制为悬链线机制,预应力钢绞线的拉力提供了替代传力路径和主要抗力。(2)在预压装配式预应力混凝土框架连续倒塌试验中首次采用智能钢绞线实时监测有粘结预应力筋的预应力,研究了预应力对预压装配式预应力混凝土框架抗连续倒塌性能的影响。预应力使得装配式框架形成整体受力节点,在梁机制阶段提供了梁端弯矩,在悬链线机制阶段提供了拉结力,并且有粘结预应力钢绞线保证了结构在最终破坏时的完整性和安全性,显著提高了该框架结构抗连续倒塌的承载力和变形。(3)理论研究了预压装配式预应力混凝土框架抗连续倒塌性能评估的重要指标,分析并计算梁机制-悬链线机制转换位移、临界倒塌位移与梁机制和悬链线机制的抗力。并基于能量平衡原理,采用简化动力分析方法对结构在动力荷载作用下的抗连续倒塌性能进行分析,求得结构的动力响应曲线、最大动力响应荷载和动力放大系数。预应力在动力荷载作用下对框架抗倒塌性能的提高并不明显,对该框架结构进行连续倒塌动力分析时,动力放大系数考虑取值2.0偏于安全。(4)考虑到结构连续倒塌中复杂接触和强非线性,采用ABAQUS/Explicit模拟预压装配式预应力混凝土框架连续倒塌静力试验的准静态过程,获得了从装配阶段施加预应力到试验阶段最终破坏的混凝土、钢筋、预应力钢绞线的应力、变形和破坏形态,弥补了试验的不足,结合试验结果和理论分析,验证了模型的准确性和可靠性,进一步探讨了框架抗连续倒塌的变形过程和受力机制。
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