新型PEC柱-钢梁中节点摩擦耗能型部分自复位连接抗震性能试验研究

为研究摩擦耗能T形连接件部分自复位连接的抗震性能,考虑PEC柱布置方式,按1∶1.6缩尺比例设计制作2个新型PEC柱-钢梁中节点试件模型,并进行水平低周往复荷载试验。基于试验测试数据整理,对试件的滞回性能、承载能力、耗能能力、自复位功效和节点传力机理等进行分析。结果表明：摩擦耗能T形连接件部分自复位连接通过预拉杆和摩擦耗能T形连接件有效实现了“自复位功效与耗能能力有机统一”的性态设计目标;PEC柱布置方式决定其受力性能,且改变了节点梁柱刚度匹配,从而影响到连接形式受力性能的发展进程和试件损伤分布规律;对穿螺栓和预拉杆实现了节点域混凝土斜压带传力模式,相应降低了节点域腹板的抗剪性能要求;所有试件层间侧移角达到中震层间侧移角限值0.02rad之前,节点与连接基本无残余转角,而当层间侧移角超过大震层间侧移角限值0.035rad时,试件承载能力仍呈增大趋势、且对应节点与连接残余转角不超过0.01rad,即该连接形式具有良好的自复位功效和抗倒塌性能。     

薄壁钢板组合截面PEC柱-钢梁BRS板部分自复位连接组合框架结构的抗震性能数值模拟

为系统研究底部2层单跨薄壁钢板组合截面PEC柱-钢梁BRS板部分自复位连接组合框架结构的抗震性能,使用CAD设计制作1榀组合结构框架底部两层子结构1:2缩尺试验试件,针对这榀组合结构框架建立ABAQUS有限元模型进行数值模拟,另外还设置了4种不同的参数模型对比分析(对穿螺栓布置方式、竖向力作用、长圆孔尺寸、柱底连接形式),得出各设计参数对试件滞回性能、自复位连接力学性能、耗能能力和残余侧移等抗震性能的影响规律。研究结果如下:本试验自复位结构通过设置BRS耗能板和预拉杆拥有自复位能力并满足结构遭遇地震时的耗能能力需求和残余侧移限值;采用对穿螺栓单边布置的试件比双边布置的试件,自复位能力较强但耗能能力较弱;施加一定的柱顶轴向力对试件的自复位效果影响不大;适当增加BRS板长圆孔的径向孔长,可以使试件进入承压型受力时间滞后;在达到层间侧移角5.0%时,各有限元参数模型的整体残余侧移角均小于0.016rad,具有良好的抗震性能和自复位功效。     

有限长度预拉杆部分自复位PEC柱组合框架中间层抗震性能试验研究

为研究部分包裹混凝土（partial encased concrete,PEC)柱-钢梁有限长度预拉杆部分自复位连接组合框架中间层抗震机理,考虑耗能件形式和PEC柱布置方式,设计制作了3榀1∶2缩尺比例组合框架中间层子结构试件并进行水平低周往复荷载试验。基于试验结果,对试件的滞回特征、自复位功效、耗能能力进行了对比分析。研究表明：T形件螺栓孔的合理设置可有效实现“设计地震水平下通过耗能件耗能减震,大震水平下连接转化为承压型受力模式”的设计目标;部分自复位连接预拉杆预应力决定自复位功效,而辅助耗能件仅影响其耗能发展进程; PEC柱布置方式对部分自复位功效和耗能能力影响较小,验证了卷边PEC柱较好地改善了双向刚度的差异;T形件对穿螺栓与预拉杆传力方式促使节点区混凝土更好地形成斜压带传力模式和节点加强板增强了节点区混凝土约束的双重作用使得节点区较好地达到了“强节点”抗震要求;所有试件加载至设计地震水平下层间侧移限值1/50时,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.21%和0.11%,基本满足了自复位结构残余侧移0.2%的要求,而加载超过大震水平下层间侧移限值的1/30时,所有试件承载能力仍继续增大,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.86%和0.42%,即所有试件层间仍具有良好的自复位功效。     

新型PEC柱-钢梁摩擦耗能部分自复位节点抗震性能数值模拟

为研究采用预拉对穿螺栓的新型PEC柱-钢梁摩擦耗能型部分自复位连接中节点的抗震性能,考虑PEC轴压力、钢板组合截面布置(强/弱轴)、预拉杆预应力、加强型盖板厚度和预拉对穿螺栓设置方式等5个设计参数,利用有限元软件ABAQUS建立8个中节点模型试件并对其进行循环荷载下受力性能的数值模拟。根据模拟结果分析了连接的弯矩-转角关系、自复位功效、耗能能力、受力变形模式和节点传力机理。研究结果显示:PEC柱轴压力产生的二阶效应加快了自复位节点受力发展进程,但不影响自复位功效;组合柱布置方式通过改变梁柱刚度匹配影响连接部位力的分配模式,但不影响部分自复位节点受力机理;预拉杆预应力明显改变节点摩擦滑移耗能和自复位能力;预拉对穿螺栓的设置较好实现了节点区混凝土斜压带传力机理;采用实际工程作法的所有试件残余转角均不超过自复位节点最小转角限值0.005rad,且在达到设计预定的中震侧移角限值0.02rad后,结构主要受力构件梁开始进一步发挥力学性能,实现了自复位功效、耗能能力与结构安全冗余度有机统一的性能设计目标。     

考虑竖向力作用下卷边PEC柱(弱轴)-钢梁部分自复位摩擦耗能型连接组合框架抗震性能研究

为研究PEC柱(弱轴布置)与钢梁部分自复位摩擦耗能型连接组合框架在竖向力作用下的抗震性能,文章按1:2的尺缩比例设计了1个1榀2层的框架结构试件模型,并利用有限元软件ABAQUS进行建模,进行了低周往复水平加载的有限元分析,基于模拟得到的滞回曲线、残余变形曲线、滞回耗能曲线以及刚度退化曲线,分析试件模型在加载过程中的自复位效果、耗能能力以及承载能力。结果表明:试件在加载至相对侧移角0.035 rad时,其卸载后的残余转角仍小于0.005 rad,该框架结构具有优良的自复位效果;在结构进入设计预定的承压型受力模式前,结构的耗能由连接处摩擦耗能提供,转化为承压型受力模式后结构主体构件进一步发挥作用并开始发挥材料耗能,较好实现了结构设计性态目标;在柱底铰接条件下,框架上层抗侧刚度大于下层结构,下层受力进程更快;竖向力作用下的摩擦T形件部分自复位连接组合框架有效实现了自复位效果、耗能能力和结构安全冗余度的有机统一。     

新型卷边PEC柱(弱轴)-钢梁(BRS)端板连接组合框架滞回性能有限元分析

以采用端板预拉对穿螺栓的两层单跨新型卷边钢板组合截面PEC(弱轴)-钢梁(梁端削弱截面)组合框架结构试验试件为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行低周往复荷载下滞回性能有限元分析。研究结果表明:试件结构具有较高承载力和较大的抗侧刚度,两层初始抗侧刚度差距较大,随着加载引起结构损伤进程的发展,刚度差异不断减小;试件主要通过梁端屈服和PEC柱脚混凝土压溃与钢构架屈服耗能,上下层耗能分布均匀;采用端板预拉对穿螺栓连接和梁端削弱截面,不仅使连接具有部分自复位功效,且较好改善了连接的转动能力和抗震耗能需求;试件最终破坏模式为梁端和PEC柱脚处形成塑性铰的塑性破坏机构,层间侧移和连接转角均超过大震层间侧移限值(1/30),表明试件结构体系具有良好的抗震性能。     

新型卷边PEC柱(弱轴)-钢梁部分自复位摩擦耗能型连接组合框架抗震性能研究

为研究PEC柱在弱轴布置条件下与钢梁部分自复位摩擦耗能型连接组合框架的抗震性能,同时考察参数:摩擦耗能T形件腹板长圆孔尺寸、T形件翼缘对穿螺栓的布排方式、柱底连接方式的影响,按1∶2的尺缩比设计了4个1榀两层的框架结构试件模型,并利用有限元软件ABAQUS进行建模,基于经试验验证的有限元模型进行了低周往复水平加载的有限元参数分析,基于模拟数据,分析各试件模型在加载过程中的自复位效果、耗能能力、承载能力以及节点区传力机理。结果表明:所有试件在加载至相对侧移角0. 035 rad时,其卸载后的残余转角仍小于0. 005 rad,该框架结构具有优良的自复位效果;在结构进入设计预定的承压型受力模式前,结构的耗能由连接处摩擦耗能提供,转化为承压型受力模式后,结构主体构件进一步发挥作用并开始发挥材料耗能,较好实现了结构设计性态目标;柱脚固接试件具有更高的承载力与抗侧刚度,其受力发展进程更快;采用在T形件翼缘内外侧布置螺栓的实际工程做法可缓解T形件翼缘的翘曲变形,从而更有利于自复位连接受力进程的发挥;对于不同建筑功能的建筑,其要求的性态设计目标可通过T形件上长圆孔的尺寸来实现;采用摩擦T形件部分自复位连接的组合框架试件均有效实现了自复位效果、耗能能力和结构安全冗余度的有机统一。     

新型卷边PEC柱-钢梁摩擦耗能型自复位层间倒塌机理

本文考虑T型件接触面摩擦系数、对穿螺栓布置方式等设计参数,采用ABAQUS建立3个试件模型并进行水平低周往复荷载下倒塌机理的数值模拟,根据试件滞回曲线、残余转角规律、应力云图,分析各设计参数对自复位效果、耗能能力和残余变形的影响规律。研究结果显示:试件采用摩擦耗能T型件自复位连接可较好实现自复位功效与耗散地震能能力需求;双边螺栓布置的工程做法有效限制了T型件面外翘曲变形,提高转动刚度和承载力,但摩擦耗能相对滞后;增大摩擦系数导致摩擦滑移耗能滞后,且减弱自复位功效,但增强摩擦滑移耗能能力。所有试件残余转角均满足节点转角限值小于0.005 rad的要求。     

基于子结构的薄钢板PEC柱-钢梁组合框架层间倒塌机理分析

为揭示薄钢板组合截面部分外包混凝土组合PEC柱-钢梁组合框架中间层倒塌机理,本文利用商业有限元软件ABAQUS,对采用预拉对穿螺栓端板狗骨式连接的薄钢板组合截面PEC柱-钢梁组合框架中间层子结构试验试件建模,并进行水平低周往复荷载下抗震性能的有限元分析。基于计算结果,分析试件结构的承载力与抗侧刚度、节点连接转动性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点区传力机理和破坏模式等抗震性能。研究结果表明:试件具有较高的承载力和较大的初始抗侧刚度;PEC柱平均分担试件层间水平剪力;预拉对穿螺栓表现出部分自复位功效;梁端截面削弱实现了塑性铰位置远离节点区,且保证了连接具有良好的转动能力和结构耗散地震能能力;试件最终破坏模式为所有梁端削弱截面形成塑性铰的塑性倒塌机构,对应节点连接转角和层间剪切角均满足中震层间侧移限值1/50要求,表明该结构体系具有良好的耗能能力和抗倒塌性能。     

新型卷边部分外包组合柱-钢梁端板连接组合框架层间抗震机理研究

为进一步研究新型卷边部分外包组合柱(PEC柱)-钢梁组合框架层间抗震机理,以新型卷边PEC柱-钢梁端板预拉对穿螺栓连接组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行水平低周往复荷载下抗震性能的有限元分析。基于计算数据整理,分析试件结构的承载力与抗侧刚度、节点连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点域传力机理和破坏模式等抗震性能。研究结果表明:试件结构具有较高的承载力和初始抗侧刚度;新型卷边PEC柱平均分担试件层间水平剪力;预拉对穿螺栓具有部分自复位功效;梁端连接具有较大的转动刚度,相应限制了其转动能力的发挥;试件最终破坏模式为所有梁端端板附近截面形成塑性铰的塑性机构,而相应层间剪切角和节点连接转角均超过设防烈度地震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好的抗震倒塌性能。     

摩擦耗能型PEC柱(柱弱轴)–钢梁连接组合框架层间抗震机理研究

为研究摩擦耗能型PEC柱(柱弱轴)–钢梁连接组合框架层间抗震机理,文章采用因素分析法通过改变高强螺杆初始预应力值、T形件腹板长圆孔的开孔长度、高强预拉螺杆的长度、摩擦力、新型卷边PEC柱顶竖向力等设计参数,对模型试件做往复荷载下抗震性能的数值模拟。基于整理的模拟数据,对比分析模型试件的承载力、连接性能、耗能能力、抗倒塌机理和自复位功效等滞回性能,可以得到以下结论 :增大高强螺栓的初始预应力可以提高试件的自复位功效;改变T形件腹板的开孔长度可以灵活控制试件进入承压型传力模式的进程;部分自复位的设计使得应力集中在钢梁翼缘端部,保护了主要受力构件,地震后替换掉辅助耗能元件,结构便能继续使用。     

外张拉式自复位方钢管混凝土柱脚抗震性能试验研究

外张拉式自复位方钢管混凝土柱脚是一种便于钢绞线张拉和耗能部件更换的自复位柱脚节点。根据钢绞线与防屈曲钢板(BRS板)布置方式的不同,将自复位柱脚分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型,以适应平面和空间复位模式。通过3个3/4比例的Ⅰ型自复位柱脚的低周往复荷载试验,研究初始预应力、轴压比对柱脚承载能力、自复位性能和抗震性能等的影响。结果表明：在竖向荷载和水平往复荷载的共同作用下,外张拉式自复位方钢管混凝土柱脚的滞回曲线为典型的“双旗帜”形,该柱脚具有良好的自复位能力和耗能能力;加载至4%侧移角时,柱和钢绞线仍保持弹性,仅BRS板进入塑性状态,因此通过更换BRS板可以实现震后的快速修复;增大轴压比和钢绞线初始预应力,可有效提高柱脚的承载力,增大自复位能力,变形能力和耗能能力减小。所提出的自复位柱脚弯矩计算式,计算结果与试验结果吻合较好。     

T形件焊接加强型连接新型PEC柱-钢梁组合框架结构抗震性能数值模拟

利用ABAQUS对1榀两层单跨设置预拉对穿螺栓T形件焊接加强型连接新型卷边PEC-钢梁组合框架结构试验试件进行水平低周往复荷载下的抗震性能数值模拟。并对试件结构的滞回性能、水平抗侧刚度退化、节点连接性能、耗能性能、层间传力机理和破坏模式等抗震性能进行分析。结果显示:试件具有较高的承载能力和较大的初始抗侧刚度,且上下层初始抗侧刚度相差较大,随着加载导致试件损伤不断发展,上下层刚度逐渐衰减而趋向一致;试件下层受压PEC柱承担层间水平剪力60%,而上层层间剪力由PEC柱平均分担,且试件层间变形表现为剪切型模式;T形件焊接加强型连接实现了梁端塑性铰区远离节点区、节点区混凝土斜压带传力模式和节点连接部分自复位功效的设计目标,更好地满足了"强柱弱梁"的抗震要求;试件耗能主要通过PEC柱脚混凝土压溃与钢骨架屈服和T形件端部梁截面屈服来实现,且上下层耗能基本一致;试件结构最终破坏模式为T形件端部梁截面充分屈服和PEC柱脚部位钢骨架屈服与混凝土压溃形成塑性铰的塑性破坏机构,表明试件结构具有良好的延性及较好的抗震性能。     

薄钢板部分外包组合截面柱-钢梁中节点T形件焊接连接滞回性能研究

为研究采用预拉对穿螺栓的薄钢板部分外包组合截面(PEC)柱-钢梁中节点T形件焊接连接的滞回性能,按照1∶1.6缩尺设计制作了1个中节点试件,对其进行低周循环荷载试验,并采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟验证,对比分析试件的滞回曲线、耗能能力和破坏模式。研究结果显示:预拉对穿螺栓具有部分自复位功效,且较好实现了混凝土斜压带传力机理;所有试件破坏模式均由于T形件对梁端加强而使梁截面塑性铰的出现位置向T形件腹板尾部附近梁截面转移,且所有试件达到破坏时,节点转角均超过了0.02 rad。     

外伸端板SMA螺栓连接自复位钢框架去柱抗倒塌性能分析

为明晰外伸端板形状记忆金属(Shape memory alloy,简称SMA)螺栓梁柱连接自复位钢框架去柱后结构的抗倒塌性能,采用ANSYS软件建立了梁、实体混合单元模型。在验证有限元模型合理的基础上,进行外伸端板SMA螺栓、高强度螺栓柱连接去柱子结构竖向加载分析,并对比两类试件的受力性能及复位效果。研究表明:两类试件应力(应变)分布相似,且应力集中在外伸端板上侧及梁翼缘与端板连接处;中柱竖向力-位移曲线呈三段式分布,SMA螺栓连接试件加载后期悬链作用显著,且竖向承载力高于高强度螺栓连接试件; SMA螺栓连接可有效减小结构残余变形,降低结构的修复难度,提高修复的经济性。     

设置组合工字钢梁的自复位框架抗震性能试验研究

基于“可恢复功能抗震结构”的设计理念,设计并制作了一种设置组合工字钢梁的自复位框架,采用消能杆作为耗能元件,进行了由不同消能杆组成的4个自复位框架的低周往复荷载试验,在分析其受力机理的基础上,对比分析了结构的受力发展过程、耗能能力和卸载后的自复位能力。结果表明：各自复位框架的试验宏观现象基本相同,其荷载-位移滞回曲线均呈“双旗帜”形;锚固板开口后,框架的抗弯刚度由预应力钢绞线和消能杆提供;层间侧移角加载至4%时,骨架曲线仍无下降趋势,结构具有良好的承载能力和变形能力;自复位框架的塑性变形都集中于消能杆,更换消能杆后,结构的抗震性能得以迅速恢复,实现了震后易于修复的设计目标;通过对残余层间侧移角和等效黏滞阻尼系数的分析表明,结构具有良好的自复位能力和耗能能力,且框架的抗震性能主要由自复位参数确定。     

基于新型可更换阻尼器的自复位模块钢框架抗震性能研究

提出了一种新型自复位抗侧力模块,该模块主要由预应力钢边框和角部可更换阻尼器组成,将其配置于分层装配式钢框架中,可以实现结构系统的低残余变形与震后功能恢复.在自复位模块中,预应力钢边框主要提供初始刚度与恢复力,可更换阻尼器通过舌板受弯屈服耗能.该自复位模块的刚度、承载力和耗能系数可以独立调节,角部阻尼器具有分散耗能稳定、对连接抗力需求低、不影响窗口门洞布置、震后极易更换的特点.建立了该自复位抗侧力模块的刚度与承载力理论计算公式与数值模拟方法,并提出了配置自复位模块的分层装配式钢框架结构体系的性能化设计目标.3层和6层原型结构的动力非线性时程分析结果表明:受地震作用后,结构残余变形小于0.2％,结构主要构件保持弹性状态,损伤集中于塑性耗能的可更换阻尼器中.     

部分包裹混凝土组合柱-型钢梁端板连接框架抗震性能试验研究

为了研究部分包裹混凝土组合(PEC)柱-型钢梁端板连接框架结构抗震性能,通过改变端板厚度和柱含钢率,对3榀端板连接复合框架模型进行低周反复荷载试验。分析了组合框架层间滞回特性、承载力、抗侧刚度、耗能能力、节点转角延性、层间位移和屈服机制等抗震性能。结果表明:框架的层间屈服机制为先期梁端截面形成塑性铰,后期柱根部屈服,实现了利用塑性屈服耗能的设计目标;节点域填充混凝土形成斜压带传力模式,满足了节点域薄腹板的抗剪需求;端板厚度由12 mm增加到20 mm,试件承载力增加2%,试件初始刚度提高22.44%,节点转角延性系数提高10.00%,耗能能力增加12.87%;柱截面含钢率由15.5%增加到19.4%,试件承载力提高13.00%,初始刚度提高50.77%,耗能能力增加9.80%,但节点转角延性系数降低3.4%。试件破坏时层间位移角均超过抗震规范弹塑性层间侧移角限值1/50,且试件承载力退化系数仍达到0.96,结构具有良好的屈服机制和抗震性能。     

PEC柱(弱轴)—钢梁摩擦型部分自复位组合框架抗震机理研究

为研究PEC柱(弱轴)-钢梁摩擦型部分自复位组合框架的抗震机理,文章利用有限元软件ABAQUS以1:2缩尺比例制作了单跨双层的组合框架模型,考虑节点连接的撬拔作用、T形连接件腹板长圆孔的滑移长度、柱顶竖向力等设计参数的影响,仿真模拟研究该模型试件的抗震性能。整合得到的模拟数据,对比分析模型试件的承载力、连接性能、节点传力机理和自复位功效等滞回性能,可以得到以下结论:在实际工程中尽量采用S型试件的施工做法;调整T形件腹板的滑移长度可以灵活控制主要受力构件进入承压传力模式的进程;二阶效应对该模型试件的抗震性能影响不大,新型卷边PEC柱很适合作为自复位结构体系的承重构件。     

Experimental research on sismic performance of PEC column-steel beam frame connected by endplate

为了研究部分包裹混凝土组合（PEC）柱-型钢梁端板连接框架结构抗震性能,通过改变端板厚度和柱含钢率,对3榀端板连接复合框架模型进行低周反复荷载试验。分析了组合框架层间滞回特性、承载力、抗侧刚度、耗能能力、节点转角延性、层间位移和屈服机制等抗震性能。结果表明：框架的层间屈服机制为先期梁端截面形成塑性铰,后期柱根部屈服,实现了利用塑性屈服耗能的设计目标;节点域填充混凝土形成斜压带传力模式,满足了节点域薄腹板的抗剪需求;端板厚度由12mm增加到20mm,试件承载力增加2%,试件初始刚度提高22.44%,节点转角延性系数提高10.00%,耗能能力增加12.87%;柱截面含钢率由15.5%增加到19.4%,试件承载力提高13.00%,初始刚度提高50.77%,耗能能力增加9.80%,但节点转角延性系数降低3.4%。试件破坏时层间位移角均超过抗震规范弹塑性层间侧移角限值1/50,且试件承载力退化系数仍达到0.96,结构具有良好的屈服机制和抗震性能。