位移放大型转动摩擦阻尼器增强榫卯节点抗震性能试验研究

古建木构中的榫卯节点属于典型的弱连接,地震作用时常常早于构件产生损坏,是预防性加固的关键节点。为提升榫卯节点的抗震性能,提出并设计了一种位移放大型转动摩擦阻尼器。通过对1组未设置阻尼器和3组设置阻尼器的足尺单向直榫节点进行了拟静力试验,得到并对比分析了加固和未加固节点的破坏状态、弯矩-转角关系、骨架曲线、强度退化曲线、刚度退化曲线以及耗能能力,分析了阻尼器的位移放大效应和拔榫抑制能力。结果表明:相对于未加固节点,设置摩擦型阻尼器节点的抗弯承载力最高提升了2.3倍;摩擦阻尼器具有显著的位移放大作用,其最大转动角度为榫卯节点转角的4.5倍;在不显著提升节点刚度的同时大幅度提高了榫卯节点的滞回耗能能力,且提高程度随螺栓预拉应变的增大而增大,最大可提升3.9倍;所研发阻尼器可有效抑制节点拔榫量,且抑制作用随螺栓预拉应变的增大而显著提高。研究结果可为古建木构的科学加固提供技术借鉴。     

拔榫状态下直榫节点滞回性能有限元分析

榫头部分拔出是现存古建筑木结构榫卯节点的典型残损类型之一,对榫卯节点的滞回性能及整体结构的抗震性能有很大影响。以易于发生拔榫的直榫节点为研究对象,通过分析其在拔榫状态和未拔榫状态下的荷载传递机制,发现两者的受力机理相同。基于此建立了未拔榫状态下直榫节点的有限元分析模型,其弯矩-转角滞回性能模拟结果与已有试验结果的对比分析表明,所建有限元模型可行。在此基础上,通过定义拔榫程度为0、1/10、2/10和3/10,分析了拔榫量对直榫节点滞回性能的影响规律。结果表明:随着榫头拔出量的增大,节点的承载能力降低,变形能力变弱,抗震性能也有着不同程度的退化。所建有限元模型及其分析结果能够为拔榫状态下单向直榫节点的抗震分析及其震后修复加固提供有利参考。     

古建木结构榫卯连接特性的试验研究

通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律。试验得到榫卯连接的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,并拟合出了榫卯节点恢复力模型。将榫卯连接比拟为变刚度杆单元,理论推导了变刚度和相对柔度之间的关系。结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062~23.6054之间变化。研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础。     

摩擦耗能型SMA杆自复位梁柱节点滞回性能分析

在梁柱节点中引入NAO（非石棉）摩擦耗能器和超弹性形状记忆合金（SMA）杆,形成摩擦耗能型SMA杆自复位梁柱节点（NAO-SMA-SC）,可有效解决传统梁柱节点震后残余变形较大和耗能较低的问题。该文分析了其构造和工作机理,针对节点中SMA杆大应变需求,基于Lagoudas模型提出SMA杆的应变强化段改进本构模型,并将其嵌入到有限元软件OpenSees;建立了NAO-SMA-SC节点的杆系分析模型,考察了循环加载机制下SMA杆、NAO摩擦耗能器、间隙单元随节点转动时的受力行为;系统分析了耗能器摩擦力F_f、SMA杆直径D、SMA杆预应变P等关键参数对NAO-SMA-SC节点滞回性能的影响。结果表明:在节点中引入摩擦耗能器,能明显地提高节点抗弯能力和耗能能力,但同时会增大节点残余变形;随着SMA杆直径的增大,节点抗弯能力和自复位性能均显著提高;SMA杆预应变的施加能有效降低节点的残余变形。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角模型研究

古建筑木结构燕尾榫节点由于其独特的构造特征而具有与其他节点不同的性能,已有的分析模型不能完全适用于燕尾榫节点。在分析燕尾榫节点受力机理的基础上,根据节点的力学平衡和变形协调关系对燕尾榫节点的弯矩-转角关系进行了理论推导,结合已有的燕尾榫节点拟静力试验结果,提出了以屈服点、极限点为特征点的燕尾榫节点弯矩-转角双折线模型,给出了模型特征点参数计算公式。结果表明,用该模型所得弯矩-转角曲线与试验骨架曲线基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的修缮加固提供理论依据。     

一种新型装配式梁柱节点抗震性能试验研究

提出一种新型装配式全栓接的方钢管柱H型梁梁柱节点。为研究节点的抗震性能,对6个1:2试件进行了拟静力试验。分析轴压比、抗弯、抗剪螺栓预拉力、槽形钢厚度、狗骨式连接等参数对节点的破坏模式、滞回性能、延性的影响。研究结果表明:在0.2~0.4范围内提高轴压比,节点的极限承载力略有降低,但耗能能力和延性均有提高;降低抗剪螺栓的预拉力,节点的极限承载力,耗能能力与延性均有降低;降低槽形钢的板厚,节点承载力微有提高,节点梁柱相对转角提高,但耗能能力降低;降低抗弯螺栓预拉力,节点的极限承载力提升,但耗能能力与延性均有降低;采用狗骨式连接,虽然梁翼缘削弱部位在加载后期出现撕裂,但节点表现出良好的延性和耗能能力以及稳定的刚度退化性能。节点层间位移延性系数μ=2~2.66,弹性层间位移角φ_y=0.0208~0.0327,弹塑性层间位移角φ_u=0.0486~0.079,梁柱相对极限塑性转角θ_u=0.05~0.087。极限荷载时等效粘滞阻尼系数h_e=0.287~0.45,试验结果表明节点具有良好的抗震性能。     

古建筑木结构榫卯节点刚度的地震损伤分析和识别

在缩尺比为1∶3.52的殿堂式古建筑木结构振动台试验基础上,获得了地震作用下榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤规律。根据建立的古建筑木结构简化力学模型,利用静动力凝聚方法确立了结构刚度与榫卯节点刚度之间的关系,推导了结构状态方程和观测方程。结合力锤敲击试验和仿真计算,获得了结构位移、速度和加速度响应。考虑噪信比5%噪声干扰,采用奇异值分解的偏最小二乘法(PLS-SVD)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)对结构刚度损伤进行了识别。根据结构刚度识别结果,计算了榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤识别值。结果表明:榫卯节点初始刚度损伤先增大后减小,屈服刚度损伤一直增加;静动力凝聚、偏最小二乘和扩展卡尔曼滤波的混合算法对榫卯节点初始和屈服刚度识别精度较高,适用性较好。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角关系理论分析

基于燕尾榫节点受力机理的分析,对燕尾榫节点的转动弯矩进行了理论分析,推导了燕尾榫节点弯矩-转角理论计算公式,并与试验结果进行了对比分析,理论分析结果与试验结果吻合较好;在计算公式的基础上,对燕尾榫节点转动弯矩的影响参数进行了分析,结果表明:在一定范围内,随着摩擦系数的增大,燕尾榫节点的转动弯矩和初始转动刚度也逐渐增大;当摩擦系数超过0.5时,节点的初始转动刚度增加幅度逐渐减小;榫头长度和榫头的“收乍”角度的增大均能够提高燕尾榫节点的转动弯矩以及初始转动刚度;榫头高度的增大能够一定程度地提高燕尾榫节点的转动弯矩,但对节点的初始转动刚度影响不大。所得结果可为古建筑木结构的受力分析提供依据。     

榫卯侧向紧密度对台阶透榫节点抗震性能影响试验研究

制作卯口为定值、榫头宽度不同的台阶透榫节点模型,将节点模型分为宽松、适中和过紧3个模型。通过低周反复加载试验研究榫卯节点榫头与卯口侧向间紧密度对榫卯节点抗震性能的影响。同时通过采用简易云纹技术(在榫头受力部位画出5 mm×5 mm方格网),观察试验过程中榫头发生嵌压破坏的现象及过程。结果表明:紧密程度对节点耗能、极限承载力、初始刚度和延性具有较大影响,榫卯越紧密,脆性特征越明显。极限承载力大小关系:过紧节点模型适中节点模型宽松节点模型;初始刚度大小关系:过紧节点模型适中节点模型宽松节点模型;等效黏滞阻尼系数大小关系:适中节点模型过紧节点模型宽松节点模型;过紧的榫卯节点模型延性差,脆性特征明显,极限转角正向仅为0.08 rad,反向0.06 rad,而宽松、适中节点模型最小极限转角均达到了0.12 rad。     

古建筑木结构直榫节点力学模型的研究

以中国西南地区穿斗式古建筑木结构中常见的直榫节点为研究对象,对其在低周往复荷载作用下的受力机理进行了详细分析,建立了考虑节点拔榫量影响的M-θ力学模型和相应的实现算法,并给出了简化计算公式,最后采用试验数据对该力学模型进行了验证。结果表明,直榫节点的M-θ力学模型的计算结果与试验曲线吻合良好,可为中国古建筑木结构的抗震性能及加固的研究提供理论基础。     

残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究

残损是现存古建筑木结构的普遍状况,显著地降低了结构的抗震性能。为研究残损对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照宋《营造法式》殿堂三等材的尺寸要求,制作了3个比例为1∶3.2的燕尾榫节点模型,包括1个完好节点、1个模拟榫头真菌腐朽的残损节点和1个模拟榫头虫蛀的残损节点。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻一定深度的孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和耗能性能进行了研究,分析了残损燕尾榫节点抗震性能的退化规律。结果表明:残损燕尾榫节点的破坏形态与完好节点的破坏形态类似,主要表现为榫头和卯口有明显的挤压变形、榫头沿枋纵向部分拔出,枋柱整体完好,但残损节点的榫头拔出更早、拔出量更大,模拟虫蛀节点有榫角被挤碎;残损燕尾榫节点的滞回曲线也有明显的"捏缩"效应,但滞回环饱满度较差;残损节点的转动弯矩、转动刚度均明显低于完好节点,但耗能能力基本不变化;当两种不同残损类型的残损程度相近时,人工模拟真菌腐朽节点的转动弯矩更高、转动刚度更大。     

自复位超弹性SMA筋梁柱节点数值模拟研究

为提高框架结构的耗能能力和自恢复能力,提出了基于超弹性SMA筋的功能自恢复梁柱节点。基于OpenSees有限元软件平台,采用SMA材料自复位双旗形本构模型,建立了自复位SMA筋混凝土梁柱节点有限元数值模型,进行了低周往复作用下有限元模拟,得出节点的滞回曲线与骨架曲线。通过与现有试验结果的对比,验证了节点分析模型的有效性。进行了参数分析,分别考虑了SMA材料的配置数量、配置长度和屈服强度等参数,分析了SMA材料参数对节点的滞回性能和自复位能力等性能的影响。结果表明:超弹性SMA筋混凝土梁柱节点具有较高的耗能能力和自复位能力。建立的数值分析模型能较好地模拟自复位SMA筋节点在低周往复荷载作用力下的“双旗形”滞回性能。SMA筋材力学参数对节点抗震性能有较大影响:在适筋条件下,SMA配置数量越大,残余位移越小,复位能力越强;相同条件下,SMA筋超过塑性铰长度后,对节点性能影响不大;适筋条件下,提高SMA筋的屈服强度会提高节点的承载能力以及自复位能力。     

局部采用纤维增强混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

为了提高梁柱节点受剪承载力、变形能力及耗能能力,同时避免节点钢筋拥挤而导致的施工困难,采用纤维增强混凝土(FRC)代替普通混凝土作为节点核心区基体材料,考虑轴压比和节点核心区配箍率的影响,进行了7个FRC梁柱节点和1个钢筋混凝土(RC)梁柱节点对比试件的拟静力试验,分析其破坏形态、承载力、变形能力、耗能能力、节点核心区剪应力-剪应变曲线和梁端塑性铰区弯矩-转角曲线。结果表明,在节点核心区主斜裂缝出现前,试件已具有很高的受剪承载力和变形能力;当轴压比试验值为0.07~0.28时,随着轴压比增大,FRC试件的受剪承载力、侧向变形能力、耗能能力及节点核心区的剪切强度和剪切变形能力增加;增加节点核心区配箍率,承载力退化有所减缓;FRC试件梁端塑性铰转动能力有较大提高。     

矩形钢管混凝土框架节点抗震性能试验研究

通过三个矩形钢管混凝土框架节点(外加强环)模型的拟静力试验,以轴压比和梁柱线刚度比为参数,研究了该类框架节点的滞回曲线、延性、强度与刚度退化、耗能能力及其破坏特征。结论表明:矩形钢管混凝土框架节点滞回曲线呈饱满的"梭形",耗能能力强;强度与刚度退化缓慢;在达到极限荷载后具有良好的延性和后期变形能力,位移延性系数在3.5~4.48之间,满足延性节点的要求。经与钢筋混凝土框架、组合结构框架及钢框架节点抗震性能比较,可知:全钢管混凝土框架节点具有较好的受力性能和抗震能力,该文的研究成果可用于指导钢管混凝土结构的工程实践。     

局部采用高延性混凝土装配式框架梁-柱节点抗震性能试验研究

为了提高装配式梁柱节点的变形及耗能能力,同时简化节点核心区构造避免节点核心区钢筋拥挤而导致的施工困难,在节点局部采用高延性混凝土（HDC）代替普通混凝土。考虑轴压比和节点核心区配箍率的影响,进行了5个局部采用HDC的装配式梁柱节点和1个钢筋混凝土（RC）装配式梁柱节点的拟静力试验,分析了其破坏形态、滞回特性、变形能力、刚度退化、耗能能力和节点核心区剪切变形。结果表明:节点核心区采用HDC,破坏由节点核心区转移到梁端,实现了强节点设计原则,有效提高了框架节点的变形能力和耗能能力;节点核心区和梁端均采用HDC,梁柱节点的破坏转移到柱端,需对柱端适当加强;节点核心区采用HDC的装配式梁柱节点,可以减少甚至免去箍筋的用量。     

动力荷载下传统风格建筑双梁-柱节点抗震性能试验研究

为研究传统风格建筑混凝土双梁-柱节点的破坏特征及抗震性能,进行了2个节点试件的动力循环加载试验,包括一个典型传统风格建筑混凝土双梁-柱节点和一个单梁-柱节点。观察了节点试件的受力过程及破坏特征,研究了试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度及承载力退化、延性和耗能能力,并对其破坏模式进行了分析。研究结果表明:相对于单梁-柱节点,传统风格建筑混凝土双梁-柱节点承载力和刚度较高,其耗能能力和位移延性略小于单梁-柱节点;两者刚度退化规律基本一致。总体上,传统风格建筑混凝土双梁-柱试件的变形及耗能能力较强,抗震性能良好。在试验研究的基础上,利用ABAQUS软件对传统风格建筑混凝土双梁-柱节点进行了非线性数值模拟,研究了轴压比、混凝土强度、上下梁间距等参数对其力学性能的影响。结果表明:随混凝土强度和上下梁间距的增大,试件的承载力随之提高;随轴压比增大,试件的承载力有一定提高,但延性降低;随混凝土强度的提高,延性逐渐降低。     

PEC柱-异形钢梁框架中节点抗震性能试验研究

为研究PEC柱（partially encased concrete composite column）-型钢梁框架中节点破坏特征及抗震性能,完成了3个PEC柱-型钢梁中节点及1个钢框架梁柱中节点对比试件的低周往复加载试验。分析了试件中节点的破坏形态、滞回耗能、承载能力、延性性能、强度退化、刚度退化、节点域力学机理,研究了轴压比及梁截面变化对该类中节点抗震性能的影响。研究结果表明:PEC柱-型钢梁中节点滞回曲线呈纺锤形,具有钢框架节点的力学特性;型钢柱内部填充混凝土后试件初始刚度、承载力分别提升约40%、31.1%,且试件仍具有较好的延性性能及耗能能力;当轴压比试验值为0.25~0.35时,随着轴压比增加,试件承载力显著增加,延性性能有所下降,耗能能力则有所提升;试件均为梁弯曲破坏,损伤程度无明显变化。改变柱一侧梁的截面尺寸后,试件的承载能力、延性性能有一定提升,耗能能力、强度及刚度退化规律无明显影响,但PEC柱-变截面型钢梁中节点发生节点核心区剪切破坏,主要原因为改变柱一侧梁截面高度后,造成节点域输入剪力增大所致。按常规节点设计的变截面梁中节点不能满足"强节点弱构件"的抗震设计要求,在进行工程设计时应予以重视。