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钢筋混凝土框架与链接柱框架系统的抗震加固实验与数值研究

期刊:journal of building engineeringDOI:10.1016/j.jobe.2021.102956

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


研究作者与机构
本研究的作者包括Alireza Ezoddin(来自伊朗职业技术大学土木工程系)、Ali Kheyroddin和Majid Gholhaki(均来自伊朗塞姆南大学土木工程学院)。该研究于2021年7月6日发表在《Journal of Building Engineering》期刊上,论文标题为《Experimental and numerical investigation on the seismic retrofit of RC frames with linked column frame systems》。

学术背景
本研究的主要科学领域是结构工程,特别是钢筋混凝土(RC)框架的抗震加固。近年来,地震频发导致大量建筑结构受损,尤其是1994年北岭地震和1995年神户地震后,结构抗震设计发生了根本性变化。现有的加固方法包括混凝土或钢套筒加固、纤维增强聚合物(FRP)加固、钢支撑加固、剪力墙加固以及阻尼器加固等。然而,这些方法在应用中存在一定的局限性。因此,本研究提出了一种新型的加固系统——连柱框架系统(Linked Column Frame, LCF),旨在提高RC框架的抗震性能。研究的目标是通过实验和数值模拟验证LCF系统的有效性,并提出了简化的设计方程,以确保该系统在强震作用下能够有效保护主结构。

研究流程
本研究分为以下几个主要步骤:
1. 设计与理论分析
- 研究者首先提出了连柱框架(LCF)系统的设计方法。LCF系统由主结构(RC框架)和附加的钢框架(LC框架)组成,钢框架通过可更换的连接梁(link beam)作为“保险丝”元件,集中塑性变形,从而保护主结构。
- 研究者提出了简化的设计方程,用于计算LC框架的截面惯性矩和连接梁的尺寸。这些方程的设计目标是确保塑性铰首先在连接梁中形成,然后在LC框架的柱中形成,从而保证主结构在强震中保持弹性。

  1. 实验研究

    • 研究进行了1/3比例的RC框架模型实验,包括未加固的RC框架(RCF-TS)和两种采用LCF系统加固的框架(LCF-TS-1和LCF-TS-2)。
    • 实验采用位移控制的加载方式,逐步增加荷载,记录框架的力-位移曲线和塑性铰的形成过程。
    • 实验结果表明,采用LCF系统加固的框架在刚度、延性和能量耗散能力方面显著提高。LCF-TS-1的延性系数比未加固框架提高了64%,弹性刚度提高了6.8倍,能量耗散能力提高了3.1倍。
  2. 数值模拟

    • 研究使用有限元软件Abaqus对3层和6层的RC框架进行了数值模拟,验证了简化设计方程的有效性。
    • 数值模型的结果与实验结果一致,表明采用LCF系统加固的框架在强震作用下能够有效保护主结构,塑性铰首先在连接梁中形成,随后在LC框架的柱中形成。
  3. 性能评估

    • 研究提出了LCF系统的三个性能水平:立即使用(IO)、快速修复(RR)和防倒塌(CP)。通过实验和数值模拟,验证了LCF系统在强震下能够达到RR性能水平,确保主结构在强震中保持弹性。

主要结果
1. 实验结果表明,采用LCF系统加固的框架在刚度、延性和能量耗散能力方面显著提高。LCF-TS-1的延性系数比未加固框架提高了64%,弹性刚度提高了6.8倍,能量耗散能力提高了3.1倍。
2. 数值模拟结果与实验结果一致,表明简化设计方程能够有效指导LCF系统的设计,确保塑性铰首先在连接梁中形成,随后在LC框架的柱中形成。
3. 研究验证了LCF系统在强震下能够达到RR性能水平,确保主结构在强震中保持弹性,从而提高结构的抗震性能。

结论与意义
本研究提出了一种新型的抗震加固系统——连柱框架系统(LCF),并通过实验和数值模拟验证了其有效性。研究提出的简化设计方程能够有效指导LCF系统的设计,确保塑性铰首先在连接梁中形成,随后在LC框架的柱中形成,从而保护主结构在强震中保持弹性。该研究为RC框架的抗震加固提供了新的解决方案,具有重要的科学价值和工程应用价值。

研究亮点
1. 提出了一种新型的抗震加固系统——连柱框架系统(LCF),并通过实验和数值模拟验证了其有效性。
2. 提出了简化的设计方程,能够有效指导LCF系统的设计,确保塑性铰首先在连接梁中形成,随后在LC框架的柱中形成。
3. 验证了LCF系统在强震下能够达到RR性能水平,确保主结构在强震中保持弹性,从而提高结构的抗震性能。

其他有价值的内容
本研究还详细讨论了LCF系统的设计方法,包括连接梁和柱的截面设计、连接节点的设计以及基础板的设计。这些设计方法为工程实践提供了重要的参考依据。此外,研究还提出了LCF系统的性能评估方法,为结构的抗震设计提供了新的思路。


这篇报告详细介绍了研究的背景、流程、结果及其意义,为相关领域的研究人员和工程师提供了重要的参考。

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