预制装配式混凝土剪力墙结构减隔震单元程序集成与性能化抗震设计方法研究

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现有预制装配式结构体系中,预制装配式混凝土剪力墙结构(后文统一称为PCSW结构)是应用广泛的结构体系,具有施工高效、节能环保、抗震性能好、结构布置灵活的优点,但由于其整体性较现浇剪力墙较差,成本增量较大,使其在高层及高抗震设防烈度区的应用受到限制。减隔震装置是提高结构抗震性能,降低结构工程造价的有效措施。预制装配式混凝土剪力墙与减隔震装置的结合,可增大原结构的阻尼,降低其能耗,提高原结构的抗震性能,是PCSW结构发展趋势。基于目前PCSW结构和减隔震结构的研究现状,同时考虑到课题组自主开发程序的需求,本文首先提供完善自主开发程序的减隔震技术支持,然后针对两者的结合,提出适用于PCSW隔震结构和PCSW耗能减震结构设计方法。基于以上对上述情况分析,本文做了如下的工作:(1)进行了减隔震装置在自主开发有限元程序平台DUT 2014的集成与验证。在自行开发的有限元程序平台DUT 2014中集成零长度单元、考虑材料捏缩行为的改进Bouc-Wen材料模型(BWBN材料模型)及Maxwell材料模型,同时在DUT 2014和OpenSees中建立空间框架模型,验证零长度单元、BWBN材料模型及Maxwell材料模型的准确性和可靠性。与OpenSees的对比分析表明,所集成的单元和材料均具有优异的准确性,完善了程序减隔震装置的模拟,为后续工作提供了技术支持。(2)提出了考虑水平接缝半刚性连接的预制装配式混凝土剪力墙隔震结构的抗震设计方法。针对国内外水平接缝干式连接的研究,提出水平接缝干式连接的评价指标体系,并进行定性评价,选取一种应用广泛且成熟的连接形式。然后考虑连接的半刚性,确定剪力墙结构的等效抗弯刚度,并与隔震技术结合,采用两质点直接分析法对预制装配式混凝土剪力墙隔震结构进行中震弹性设计。最后确定不同地震水准下结构性能指标,选取合适恢复力模型对结构进行多水准地震作用下抗震性能分析。两质点直接分析法初步设计的结构与有限元模型的对比分析表明,该方法所设计结构具有较高的精度,可用于结构的初步设计,为后续时程分析提供结构模型所需基本信息。结构多水准地震作用下抗震性能分析表明,所设计的结构满足所提出的层间位移角和隔震支座变形的性能目标,确保了结构设计的合理性和经济性。(3)提出了带耗能连梁的预制装配式混凝土剪力墙耗能减震结构的抗震设计方法。选择现有成熟的连梁-墙肢半刚性连接,并确定连接转动刚度,将耗能连梁与PCSW结构结合,形成带耗能连梁的PCSW耗能减震结构。以降低半度为目标,进行“反向设计”,对带耗能连梁的PCSW结构进行小震弹性设计,确定耗能连梁耗能段的相关参数及非耗能段连接构造,并采用BWBN材料模型模拟连梁—墙肢半刚性连接,选取预制剪力墙、连接构件和阻尼器合适的恢复力模型对结构进行大震弹塑性时程分析。结构设计表明,采用降半度的“反向设计”法能够准确计算耗能减震装置的设计参数,有效合理的确定结构构件尺寸,使得结构设计更经济合理。
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