这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？ | 新论文：多灾害防御混凝土框架试验研究

Experimental Study of a Novel Multi-Hazard Resistant Prefabricated Concrete Frame Structure

Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2018, 10.1016/j.soildyn.2018.04.011

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0267726117311077

一、研究背景

工程结构的多灾害防御近年来成为国际土木工程的重要研究前沿。钢筋混凝土框架结构空间布置灵活，建造成本低，是最常见的结构体系之一。然而，由于框架结构先天存在的“细胳膊细腿”特征，使得其容易发生地震倒塌或意外事件导致局部破坏后的连续倒塌。图1所示为汶川地震中倒塌的混凝土框架。图2所示为美国因汽车炸弹而发生连续倒塌的混凝土框架。因此，如何提升混凝土框架抗震及防连续倒塌能力值得开展深入研究。

图1 汶川地震倒塌的混凝土框架

图2 俄克拉玛联邦政府大楼连续倒塌案例

当然，现行规范对混凝土框架的抗震和防连续倒塌都有相应的设计方法。但是抗震设计本质上是设法抵御由于地面运动而在建筑物上引起的一个整体的动力惯性力作用。而防连续倒塌设计本质上是由于偶然荷载引起局部结构破坏后，保障剩余结构具有足够的内力重分布的能力。简而言之，抗震设计需要抵抗一个整体的水平作用力，而防连续倒塌设计需要抵抗一个局部的竖向作用力，二者存在明显的差异。

图3 抗震“强柱弱梁”设计

图4 防连续倒塌设计

对于混凝土框架而言，抗震设计需要“强柱弱梁”（图3）。而防连续倒塌设计需要提高水平构件的内力重分布能力（图4）。这样一来，防连续倒塌设计会显著提升混凝土框架梁的承载力，进而导致“强梁弱柱”削弱其抗震能力（参见我们之前的论文：防连续倒塌设计会削弱结构的抗震能力么？是的）。而如果进一步加强柱子来重新满足“强柱弱梁”的要求，这就属于“水多了加面、面多了加水”，成本高而效果差。

二、建议的地震与连续倒塌综合防御可恢复功能框架

针对上述问题，我们建议了一种地震与连续倒塌综合防御可恢复功能框架结构，如图5所示：

(1) 框架梁和框架柱通过剪力传递板传递剪力，通过可更换耗能装置和预应力筋传递弯矩。

(2) 预应力筋可以同时作为抗震的自复位钢筋和抗连续倒塌的拉结配筋；

(3) 剪力传递板保障大变形下剪力的可靠传递；

(4) 可更换耗能装置可以消耗地震和连续倒塌作用下的动能。

 图5 多灾害防御可恢复功能混凝土框架结构

为了验证该体系的效果，我们同时开展了抗震和防连续倒塌子结构试验

图6 抗震子结构试验

图7 防连续倒塌子结构试验

试验了三个不同的对象：

试件RC6：按照现行规范设计的钢筋混凝土框架

试件RD1：对RC6按照防连续倒塌规范进行设计后的框架

试件PC6：新型综合防御可恢复功能框架

三、抗震试验结果对比

先看看抗震试验的结果。图8是试件RC6(常规框架)和RD1(抗连续倒塌设计框架)的对比，可见防连续倒塌设计增加梁的配筋，导致节点区和框架柱的严重破坏，这对抗震是非常不利的。而新型框架PC6加载了两次，还和新的一样（图9）。刚度和屈服承载力和常规框架相当，而卸载残余变形小，屈服后二阶刚度稳定（图10）。试验后只需要简单更换角钢耗能装置就可以恢复使用，很好的满足了功能可恢复的要求。

图8 试件RC6(常规框架)和RD1(抗连续倒塌设计框架)的对比，防连续倒塌设计增加梁的配筋，导致节点区和框架柱的严重破坏

图9 试件PC6：已经做了两次试验了，几乎和新的一样

图10 荷载-位移曲线对比

四、连续倒塌试验对比

再看连续倒塌试验的结果，我们模拟中柱失效的工况（图11），看看其框架梁的内力重分布能力。结论很简单，RC6(常规框架)不满足现行规范的防连续倒塌承载力要求，RD1(抗连续倒塌设计框架)按照防连续倒塌规范设计后满足了要求，而PC6无需做防连续倒塌设计，自动满足防连续倒塌要求，还比RD1强了不是一点半点。当然，PC6防连续倒塌表现好，除了梁里面的预应力筋提供了很重要的防连续倒塌拉结力以外，剪力传递装置很好的适应了大变形阶段的变形需求（图13）也功不可没。

图11 RC6的连续倒塌试验结果

图12 不同试件抗连续倒塌性能试验结果对比

图13 大变形阶段剪力传递装置变形

五、结论

1. 本文通过试验，证明了经过抗连续倒塌设计后，会破坏框架的”强柱弱梁“破坏机制。

2. 本文提出的新型框架，具有大转动、低损伤、自复位、易修复等优点，其抗震性能好、自动满足防连续倒塌性能要求，且有利于震后功能恢复。

当然，现阶段的这个新型框架的具体构造还比较复杂，还需要进一步研究如何简化其构造，以便于工程应用。另外耗能装置目前采用比较简单的角钢连接，未来还可以探索效果更好的解决方案。

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论文作者

林楷奇

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