考虑长期预应力损失的自复位混凝土框架抗震性能分析

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预应力自复位(Post-tensioned self-centering,以下统称PTSC)混凝土框架是预制装配式建筑的一种,它采用无粘结预应力筋将预制梁柱紧压在一起,梁柱接触面在受拉方向不采取任何约束方式,使得构件可以在节点转动过程中相互分离,节点的非线性变形集中在梁柱交界处产生的张开角中,避免了传统现浇节点中受拉纵筋的屈服和梁端塑性铰的形成。采用附加的阻尼装置满足结构的耗能需求,从而将非线性滞回集中在可替换的非结构构件上,避免了结构构件的破坏。外力移除后,弹性预应力筋再次将梁柱紧压在一起,张开角闭合,从而实现节点的自复位。由此可见,此类结构可以有效避免损伤并消除残余变形,是一种新型的高性能结构体系。尽管目前针对PTSC混凝土框架的研究已取得丰硕的成果,但对于其长期抗震性能的认知仍十分匮乏。持续受力的构件会出现由混凝土收缩、俆变等效应引起的预应力损失,而预应力水平是影响结构性能的关键因素。因此,对PTSC混凝土框架中预应力损失的估计,以及对长期效应作用下结构抗震性能的评估,是对该研究领域的必要补充。另一方面,数值模拟和有限元分析是结构抗震性能研究的重要途经,由于PTSC节点特有的“张开”机制,对其力学性能的模拟需要较为冗杂的单元设置,加大计算量的同时,也给模型的收敛性造成影响。基于上述背景,本文提出了简单准确的PTSC混凝土框架节点理论模型和考虑不确定性的节点长期力学模型,并基于此对PTSC混凝土框架在不同寿命阶段的抗震性能进行了系统的分析。主要研究内容如下:(1)提出了可以合理反映PTSC混凝土框架节点变形及破坏状态的力学模型。基于截面分析得到梁端的弯矩-转角关系,并全面考虑各构件的变形成分,得到节点的力-位移关系。为了建立截面分析所需的变形协调方程,利用ABAQUS有限元分析软件对节点进行了参数分析,并通过多变量回归得到了梁端混凝土最大压应变与节点转角的关系式。通过将不附加阻尼及带有不同耗能装置的PTSC混凝土框架节点理论模型的计算结果与有限元分析结果及已有试验数据进行对比,验证了所提节点模型的准确性。(2)研究了PTSC混凝土框架节点的长期力学性能。首先将混凝土的收缩、徐变效应作为主要影响因素,进行了考虑不确定性的PTSC混凝土框架预应力损失估计,并分析了跨数、非预应力筋配筋率、初始预应力等结构参数对预应力损失程度的影响;然后基于提出的节点理论分析方法,建立了全面包含时变参数的PTSC混凝土框架节点长期恢复力模型;进而综合考虑预应力损失及水泥后期水化等长期效应的影响,对PTSC混凝土框架节点的全寿命力学性能进行评估;另外,基于概率分析的结果,本文还对预应力损失及节点性能参数的统计特性进行了研究。结果表明,跨数及初始预应力水平对PTSC混凝土框架中预应力损失的程度有较大影响,非预应力筋配筋率的影响几乎可以忽略;预应力损失对节点加载前期的强度影响较大,而混凝土的后期强化会弥补预应力损失的不利影响,使得节点的后期加载刚度有所提高;另外,正态或对数正态分布可对时变的预应力值及节点的力学性能参数有较好的近似。(3)基于本文提出的节点力学模型,采用集中塑性转动弹簧对PTSC混凝土框架进行有限元模拟,并将所建模型的静、动力分析结果与传统纤维单元模型的分析结果进行对比,以验证本文提出的节点模型在结构地震反应分析中的有效性和优越性。在结构抗震性能分析方面,针对PTSC混凝土框架的自复位特点,采用综合考虑最大和残余变形的双参数地震易损性作为评价指标,并对易损性的计算方法进行改进:对材料特性及长期效应引起的结构抗震能力的不确定性加以考虑,提出了针对各具体结构的概率性双参数极限状态的定义方法;此外,采用全概率方法合理结合倒塌与非倒塌情况的破坏概率,以进行更为合理的地震易损性评估。(4)采用本文提出的时变节点模型和结构建模方法,通过双参数地震易损性分析,对具有不同结构特性的PTSC混凝土框架的短期及长期抗震性能进行评估。在地震易损性分析中综合考虑了附加阻尼、梁端加固条件等PTSC结构特性,以及预应力损失、混凝土后期强化等长期效应的影响,对不同寿命时刻处的结构模型进行了基于随机Pushover的概率性抗震能力分析和基于IDA分析的概率性地震需求评估,进而得出并比较最终的地震易损性计算结果。结果表明,梁端约束条件的增强可以提高结构的变形能力,从而使框架在罕遇地震下发生严重破坏的概率下降30%以上;结构附加阻尼的增加可以使不同约束条件的框架对于严重破坏的易损性降低10%-40%,并显著提高结构的抗倒塌能力。然而,综合考虑最大和残余变形,结构的抗震性能并不一味地随着附加耗能的增加而提高,较强的梁端约束和合理的能量耗散系数可以使结构的抗震性能达到最优。相比之下,长期效应对于结构非倒塌破坏状态的地震易损性影响较小,但会大幅增加无附加阻尼结构的倒塌概率;然而,附加耗能的提高可以消除长期效应对结构倒塌易损性的影响。
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