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具有高性能纤维增强混凝土填充板的抗弯钢框架的抗震加固:
大型混合仿真实验
Dimitrios G. Lignos, A.M.ASCE1; Daniel M. Moreno2; and Sarah L. Billington, M.ASCE3
摘要:最近世界各地的地震表明，钢框架建筑基于大地震的抗震设计规定不足。为了加强这些建筑的抗震性能，1980年在加利福尼亚已研制出的一种新的抗震加固系统和评估实验作为一个两层抗弯钢框架的一部分。提出了加固系统由高性能纤维增强混凝土(HPFRC)加密板作为能量耗散元素，可以在大地震之后很容易地被更换。通过两个加固两层抗弯钢框架的大型混合模拟测试，这是表明：(1)所提出的加固系统是在减少最大层间位移角和加固后的钢框架相对于裸架性能预测残余变形方面有效；(2)因为能量耗散主要集中在填充板加固系统，结构损伤的加固钢框架是保持最小的。DOI:10.1061 / st.1943 - 541 x.0000877(第3期)。copy;2013美国土木工程师学会。
作者关键词：抗震加固；现有抗弯刚框架；高性能纤维增强混凝土；混合仿真；基于性能的地震工程；地震影响。
简介：继加州1994年北岭地震后，从1到26层的大量钢框架建筑被严重破坏，即使是在地面震动在FEMA- 351(联邦应急管理署(FEMA)2000 b)被认为相对温和的地区。基于地震评估和康复指南(FEMA2000a，2005)，其中许多钢结构建筑由于他们没有提供他们可以提供的95％的置信水平，而被表征为地震危险建筑：(1)防坍塌(CP)用于在50年内有2％的超概率；(2)50％的置信水平相同的结构可以提供即时的占用(IO)，在50年内有50％超越概率的地震。美国北岭地震之后的二十年里，仍有一些钢框架建筑，需要在加利福尼亚地震升级。
为了改善现有的钢框架建筑的抗震性能的常用方法包括结构体系的改造，以提高其整体强度或刚度，以避免在地震中过多的层间位移比(SDRs)。多年来，一些地震加固技术已经用于现有抗弯钢框架（MRFs）。典型的技术汇总在FEMA（2006年），并专注于焊接梁与柱连接[例如，Gross等人的抗震性能差的提高（1999），Uang等(2000)，和Civjan等(2001)]。对于钢加固设施及其他加固技术包括耗能熔断元件，自定心系统（Leelataviwat等，1998）。（Ricles等，2001； Christopoulos等,2002年），并降低了钢板厚度壁通过剪切屈曲消散能量（ Astaneh, 2002年；Bruneau ,2005年；Berman和Bruneau ,2005；Jacobsen等人，2010年）。防屈曲耗能支撑也算先进适用的，因为他们有完全平衡的滞回性能拉伸和压缩后的弹性变形（Wada等，1998；Loacute;pez等人，2002；Uang和Kiggins ，2003；Kasai等，2008；Black等，2004；Uriz和Mahin，2008）。然而，包括支架中的改型解决方案通常需要基础的修改，以适应大托力（Sarno和Elnashai，2002）。
被动耗能设备，包括粘滞阻尼器也被用于钢结构建筑的抗震加固。. Soong和Spencer（2002）进行的可以用于此目的的被动、主动和半主动控制系统的比较。其他（Constantinou 和Symans，1992; Makris等，1993）通过综合分析和实验研究调查了流体粘滞阻尼器在建筑抗震加固中的应用。最近，Kasai等人 （2008）进行震动配备4种类型阻尼器的五层钢架建筑的三维振动台试验。这些测试表明，建筑的性能目标满足了使用的所有四个无源器件。
最近的纤维强化混凝土技术的突破已经证明，高性能纤维增强混凝土（HPFRC）材料（Kim等，2009）可用于结构应用，包括抗震加固钢（Kesner和Billingto，2005）和钢筋混凝土建筑物（Canbolat等，2005；Hung 和 El-Tawil，2010）。这些复合材料具有小的优势，较普通混凝土没有剥落，和塑性拉伸虚拟应变硬化行为，允许元素通常没有剪切反而有更加韧性弯曲破坏(Olsen和Billington，2011)。。这种拉伸硬化行为提供能量耗散结构组件,它是用HPFRC制作的材料,通过多个裂纹的产生和传播钢筋(Moreno等，2012）。
本文提出了由现有钢(MRFs) HPFRC填充板和一个创新的抗震加固系统的实验验证的发展。本系统采用耗能钢(mrfs)循环载荷，从而提高其抗震性能。为了验证新的抗震加固系统，在加利福尼亚在上世纪80年代的设计进行了两个大型混合模拟试验是一个两层的钢框架。两阶段的测试程序，以充分了填充板改装系统与抗侧力体系的钢结构建筑。特别是，大型试验的目的是研究(1)边界条件的影响（例如，板考虑）的填充板；(2)在板平面变形的大变形；(3)对安装在钢框架与个别的组件测试相比，由于钢的弯曲要求梁的MRF通常较大，在其两端相对于跨中板的裂纹扩展的差异，这是接近梁的拐点；(4)地震作用荷载的填充板的裂纹扩展与传统对称加载方案，用于对结构有限循环行为特征比较组件。
1. 助理教授、土木工程和应用力学的部门,麦吉尔大学,蒙特利尔,加拿大QC H3A2K6(通讯作者)。电子邮件:dimitrios.lignos@mcgill.ca
2. 博士生，土木与环境工程部门,斯坦福大学,Stanford,94305。
3. 副教授,土木与环境工程部门,斯坦福大学,Stanford,94305。
注:此稿已提交 2012年2月13日；批准于 2013 年5月16日,在线发表于 2013年5月20日。讨论时间开放到 2014年4月8日；单独讨论个人必须提交论文。本文取自工程力学杂志的一部分，copy;ASCE，ISSN 0733-9445 / 04013072(13)/ 25美元。
高性能纤维增强混凝土
所采用的HPFRC混合设计是由Liao等人开发的自密实高性能的纤维增强混凝土混合物的修改版本（2006）。最小的振动是在使用这个组合，以帮助巩固。水与粘合剂比为0.40与由80％的式I-II的硅酸盐水泥和20％C级粉煤灰的粘合剂。一个先进的铸造530高效减水剂与粘性改性剂在0.4和0.49%分别添加到粘合剂的重量。普通混凝土砂作为细骨料与一个12.7毫米的最大粗骨料。这些材料可以在加州的任何商业预制厂很容易找到。该HPFRC混合料含有混合1.2％的高强度钢钩住纤维（RC的Dramix-80/30-BP）（体积）。这些纤维具有2300兆帕的规定的拉伸强度和79（长度与直径之比）的纵横比。混合顺序中详细Olsen和林顿（2009，2011），并在Lignos等人所述。 （2011C）。表1总结了混合物的比例。所述HPRFC混合物的28天抗压强度FC0范围从35至65兆帕（6000至9000磅），这与先前的研究一致（Liao等，2006）。这种力量是基于三个标称相同的102times;203毫米（4times;8缸)测试。代表性测量抗压强度和工程应变示于图。图1（a）基于三个名义上相同气缸试验。被用作试验计划的一部分，这两个混合物的28天FC0值讨论随后总结在表2中。混合模拟试验的HPFRC填充板的制造在旋转360天。在这段时间内，填充板被充分保护免受天气条件。如何有史以来，在HPFRC混合物的抗压强度不可用在测试时间。
该HPFRC的拉伸性能是基于76times;76times;305毫米梁（ASTM 2005）四点弯曲试验中获得图. 1（b）表示等效弯曲应力（执行器负载多合股由清晰跨距长度，通过ASTM波束宽度的产物和深度的平方除以）与跨位移-彪四个名义上相同的ASTM光束。从同一图中，HPFRC组合是能够携带一个DUC-效用[前强度定义为终极Delta;U的比例抗弯拉deterio，比上屈服位移Delta;Y，其中Delta;Y是根据面积相等的规则定义在FEMA-273（1997年FEMA）〕中讨论响-ING从3至约6是在两个抗压强度和抗弯响应观察样品到样品variabil-性，将其用于估计延展性比，是由于（1）在HPFRC混合的异质性；（2）中形成裂缝由于不同的ASTM梁弯曲；（3）负荷施加和支持体的点的小的差异，当束被在设置略有差异放置以进行四点弯曲测试。然而，在本文提出的HPFRC混合设计是公认的并且性质是可重复使用，当它以类似于被用于HPFRC填充的制造中的一项所述的预制混凝土厂生产的常规混凝土配料设计相同的确定性面板作为这项研究计划的一部分。这些小组的水平浇铸成胶合板的形式。该HPFRC填充板在四批超过5天施放。
Fig. 1. Mechanical properties of high-performance fiber-reinforced concrete: (a) compressive strength versus strain; (b) equivalent stress versus midspan displacement
高性能纤维增强混凝土填充板体系抗震加固
拟议的改装系统图2（a），由一组两个垂直填充板，二槽钢螺栓连接，并与长孔两个钢板的。每个小组利用电焊布（WWF）的一个76times;76毫米的网格图单层。图2（b）]，以提供剪切阻力和加强抗弯强度。丝织物的拉伸屈服应力为696兆帕从单轴材料试验得到。个体面板的主钢筋由345兆帕（50级）9.525毫米（＃3）变形软钢螺纹钢。图。 2（b）示出了顶部和底部填充板的几何形状的典型的钢筋的细节。顶部槽钢连接现场焊接的钢MRF的上层钢梁的底部法兰。底部通道连接用螺栓固定到被焊接到底故事的钢梁的上翼缘的螺栓。因为目的是使用该系统对现有钢铁回收设施的抗震加固，对CON-混凝土楼板应该已经在之前安装系统的地方。因此，为了焊接在底部钢梁的上翼缘的剪切钉，孔将芯到建筑物暴露钢梁的上翼缘的现有板坯。
Fig. 2. HPFRC infill panel system: (a) description; (b) reinforcement layout; (c) installation; (d) hysteretic performance (dimensions in millimeters, data from Hanson and Billington 2009)
新的螺纹钉焊接在型芯孔和灌浆。这个过程是简单可靠的施工技术和施工的实验模型测试作为这项研究的一部分,栓钉焊接在第一层和基础梁测试框架之前铸造板的部分。
每组两个垂直填充板的被灌入两个槽钢螺栓连接，如图2所示copy;。为了保证在这些连接没有滑移，五个A49025.4毫米每一个（1英寸）直径的螺栓被预拉伸到约150千牛顿（30千磅）。两个HPRFC填充板连接在两个楼层中承式钢板。这些板有槽孔[图2（a）]，以允许相对于彼此的两个面板的垂直运动。这可以防止轴向负荷从建立和任何后续的填充板系统的平面运动。槽孔同时保证系统的hprfc填充板弯矩图的拐点总是在一个楼层中承式；因此，因此，损害被平均分配到两个板在地震。地震发生后，在地震发生后迅速拆除和更换损坏的面板的螺栓连接的细节，提供的建筑物的残余层的漂移率不大。 Olsen和Billington（2011）和Hanson和Billington（2009）测试了大量的以单、双填充板的音型的研究其滞回反应和最终实现填充面板系统的设计。图2（d）显示了一个典型的双填充板结构的滞回反应的一个例子。在相同的数字模拟的滞回反应相同的系统改良伊巴拉麦地那Krawinkler所（IMK）模型进行叠加，捕捉除摘心强度和刚度的周期性恶化（Ibarra等。2005；Lignos 2008）。在这个模型有三个参数，在这种情况下是等于0.5的控制。这是一个定制的唯象模型OpenSeesMcKenna 。1997版调查数值的改型钢框架的抗震性能。然而，这种模式是不能够捕捉当地影响钢筋屈服或微裂纹的HPFRC板相关。在这种情况下，应采用光纤为基础的方法。耗散的能量通过一个作为耗能元等于1350 kN·mm典型HPFRC填充板断裂。更多关于同一问题比较耗能通过断裂的信息是 Olsen和Billington介绍的（2011）。
原型钢办公楼地震加固
该填充板系统效能与原型钢建筑年代在加利福尼亚设计审查。该建筑位于洛杉矶地区（R.Hamburger，个人通信，2009）。这栋楼的平面图如图所示。图3（a），图3（b）示出，它由外围钢加固设施的东 - 西（EW）装载方向其主侧向抗力系统的正视图。原型钢MRF的框架部分的法兰长细比不通过AISC-341-10（美国钢结构研究所，2010）符合COM-pactness标准。钢框架建筑在EW加载方向的卓越周期为0.75秒。该EW钢MRF是MOD-ELED，并在OpenSees的仿真平台分析（McKenna，1997）。进行两种类型的分析，以检查是否在现有钢结构建筑需抗震加固。根据ASCE / SEI 41（ASCE 2007）的指导方针和一系列表征建设地点的地震危险性40地面运动的非线性响应历史的分析基础上，第一种模式负载模式非线性静态过程。结果发现，该建筑没有提供可能对地震危险与50年一超越的2％的概率（FEMA 2000A; ASCE 2007）提供的CP或更好的性能置信95％的水平。出于这个原因，该EW钢MRF的外部托架改型与所提出的HPRFC填充板系统。因为对于每FEMA-356（FEMA 2000年）所提出的改型系统中没有建立的准则，因为它通过多个裂化和加固屈服消耗能量的HPFRC填充板系统被视为恶化元件。经过一系列的负载周期，应变局部化在主裂缝和系统的强度和刚度恶化。如图2（4）所示。
Fig. 3. Prototype California steel office building designed in the 1980s:(a) plan view; (b) elevation
试样进行大规模混合仿真测试
对于
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