新型钢框架梁柱节点滞回性能试验研究及有限元分析

通过模型节点滞回试验研究和有限元分析,探讨了一种新型钢框架梁柱耗能节点的力学性能和耗能能力.该节点是利用螺杆对角钢节点进行改善的半刚性节点,并基于控制结构损伤仅限于角钢和螺杆进行设计.6个模型节点的对比实验研究表明,试验节点因角钢塑性损伤、裂缝扩展和螺杆屈曲及疲劳断裂而出现性能退化.螺杆连接的节点转动能力和破坏模式取决...     

装配U形阻尼器的SMA自复位钢框架梁柱节点抗震性能研究

为解决传统SMA螺杆自复位钢框架梁柱节点在工作过程中SMA材料利用率低的问题,简化节点耗能构件的设计、施工和震后更换,提高灾后结构的快速恢复能力,提出了由超弹性SMA螺杆贯穿钢柱翼缘连接且装配U形阻尼器的自复位钢框架梁柱节点,并对关键构件的受力性能进行分析,给出节点的受力变形理论模型。通过循环拉伸试验考察了SMA棒材的超弹性特性,以此为基础,设计了1个足尺边柱节点试件,通过拟静力试验研究其承载力、初始转动刚度、残余变形、滞回耗能等。研究结果表明：节点中SMA螺杆可以有效拉伸变形并提供自复位驱动力,U形阻尼器的两肢能够产生相对位移从而进行塑性耗能,钢梁腹板处的抗剪螺栓可在连接槽钢的长圆孔中滑动,梁柱节点核心区未出现剪切变形;在设计层间位移角为0.04 rad的循环结束时,节点残余变形仅为0.004 9 rad,且梁柱构件在试验过程中未出现屈服,节点具有良好的自复位能力和可修复性;节点的初始转动刚度和极限弯矩均小于普通抗弯钢框架梁柱节点,但其拥有良好的转动能力,最大层间位移角为0.05 rad,满足节点的变形设计要求。     

采用钢套筒-耗能铰的装配式梁柱节点受力机理及参数分析

为提高装配式结构抗震性能,实现装配式结构强节点、耗能区域可控、高效连接等关键技术创新,提出一种钢套筒-耗能铰装配式梁柱节点。基于钢套筒-耗能铰装配式梁柱节点滞回性能试验,构建装配式梁柱节点有限元模型数值模拟分析其受力机理,研究耗能铰不同参数构造对节点工作性能的影响。结果表明：钢套筒强化装配式梁柱节点核心区,提高节点核心区抗剪能力和剪切变形能力;钢套筒-耗能铰装配式梁柱节点耗能和损伤破坏集中在耗能铰;得到装配式梁柱节点中耗能铰的参数设计建议。     

半刚性连接梁柱组合节点低周反复荷载试验研究

为研究半刚性连接梁柱组合节点的抗震性能,开展了1个纯钢框架梁柱中节点、2个组合框架梁柱中节点的低周反复荷载试验。梁柱采用平齐式高强螺栓端板连接,试验采用柱顶加载模式。对试件的试验现象、变形、应变和耗能能力等进行了分析和比较。试验结果表明,组合节点相对于纯钢节点而言,由于负弯矩作用下钢筋的抗拉作用和正弯矩作用下混凝土板的抗压作用,其受弯承载力和转动刚度均有较大程度地提高;连接弯矩-转角关系的滞回曲线饱满、稳定,具有良好的耗能能力;平端板连接梁柱组合节点在反复荷载作用下具有较高的承载力和良好的延性,抗震性能良好。     

翼缘盖板外置型可恢复功能装配式钢框架抗震性能试验研究

为实现震后快速修复，提出一种翼缘盖板外置型可恢复功能装配式钢框架，由带悬臂梁段圆钢管柱、中间梁段及两者之间的梁柱节点连接装置组成。该框架拟通过节点域翼缘盖板的塑性变形或滑移进行耗能，从而确保梁柱等主要构件保持弹性，实现框架的震后快速修复。通过对4榀框架的低周循环荷载试验，分析框架的承载能力和破坏模式、研究翼缘盖板厚度、单侧螺栓列数、初始残余变形以及加载制度等因素对框架抗震性能的影响规律。结果表明：提出的装配式钢框架具有良好的承载能力和耗能能力，加载过程中框架的塑性损伤主要集中在翼缘盖板，具备震后快速修复的必要条件；经过多次修复且带有残余变形的钢框架极限荷载较原框架降低约0.1%,总耗能量降低约1.08%,仍然具有良好的承载与耗能能力；钢框架平均单次加载循环耗能量降低约0.8%,低周疲劳性能稳定，具有良好的抵御余震能力。     

半刚性连接钢框架-钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

通过对半刚性连接框架-钢板剪力墙结构在水平反复荷载作用下的试验研究,得到了结构的滞回曲线、延性指标、水平刚度、梁柱应变、转角及各关键部位的变形。从耗能能力、刚度退化、承载力、延性等方面分析该种结构的抗震性能和耗能机理;依据应力分布、梁柱转角研究半刚性节点与钢板剪力墙的相互影响效果;分析结构的内力转换和破坏模式。结果表明：该结构具有良好的延性和耗能性能;半刚性节点在反复荷载作用下没有明显变形,节点刚度退化小,框架和钢板剪力墙协同工作良好;梁柱半刚性连接弱化了结构的整体刚度,框架自身承担的水平荷载有限;破坏模式为内填钢板剪力墙局部撕裂,拉力带作用明显,钢框架柱脚及梁柱半刚性连接部位形成塑性铰,框架整体呈弯曲破坏模式。图12表4参10     

K形可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究

为研究K形偏心支撑半刚性连接钢框架的抗震性能,采用较低屈服点的可替换耗能梁段作为耗能单元,对一个单层单跨平面内钢框架模型进行低周循环加载试验.通过试验分析了框架的变形特性、塑性发展情况及破坏模式,分析了框架的强度、刚度、滞回性能、耗能特性.在连接节点处的高强螺栓上粘贴应变片,并观察高强螺栓的应变发展情况.试验结果表明:破坏主要发生在耗能梁处且耗能梁先于框架屈服并消耗能量;梁柱节点处在加载过程中始终没有屈曲破坏;由于框架梁和耗能梁在加载过程中的相互错动,造成滞回曲线出现捏缩效果,高强螺栓出现松动.     

梁端翼缘削弱型节点空间钢框架抗震性能试验研究

为研究梁端翼缘削弱型节点钢框架的抗震性能,设计钢框架试验加载装置,进行1∶3缩尺比例的2榀2层1跨梁端翼缘削弱型节点空间钢框架的低周往复荷载试验,研究其受力特点及破坏形态,对模型框架结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、承载力退化、塑性耗能能力等抗震性能进行分析。试验结果表明:空间钢框架的8个梁端翼缘削弱型节点塑性铰均外移至圆弧削弱区域,所有节点的梁柱连接焊缝均未出现裂缝,荷载-位移滞回曲线饱满,破坏时结构位移延性系数介于3.05~3.82之间,等效黏滞阻尼系数介于0.34~0.41之间,弹塑性极限位移层间转角介于0.035 5~0.044 5 rad之间。钢框架梁柱连接采用圆弧削弱型节点可使梁端应力平缓过渡,避免梁柱连接焊缝处产生应力集中现象,钢框架塑性内力重分布后对圆弧削弱型节点的耗能性能没有明显影响。圆弧削弱型节点在钢框架中表现出较好的延性性能,提高了钢框架整体结构的抗震性能及塑性耗能能力。     

钢框架中钢梁高强螺栓拼接摩擦耗能的试验研究

为了探索将钢框架中的钢梁高强度螺栓拼接节点按照摩擦耗能节点进行设计的可行性,进行了三个试件的循环加载试验。所有试件的梁柱连接都采用焊缝连接,钢梁拼接按照拼接中心处的实际受力设计,翼缘和腹板拼接全部采用10.9级高强螺栓摩擦型连接,螺栓孔采用长圆孔。试验结果表明:三个试件都能够实现拼接中心的摩擦耗能作用,而且梁柱连接焊缝不会提前破坏;所有试件都表现出了良好的耗能性能;但试验也发现了一些值得注意的问题,如在循环加载作用下,拼接节点的承载能力和耗能能力下降较多,长圆孔的开孔长度对节点的转动能力和耗能能力影响较大等。     

柔性钢框架外挂再生混凝土墙结构抗震性能试验研究

为研究柔性钢框架外挂再生混凝土墙结构的抗震性能,对2个单层单跨1∶3缩尺的柔性钢框架外挂再生混凝土墙试件及1个纯钢框架试件进行了拟静力试验。通过对有无外挂墙板及不同梁柱节点形式的对比,分析了外挂墙板及梁柱节点刚度对结构的承载力、抗侧刚度、延性及耗能能力的影响,并对结构内力及水平荷载分配进行了分析。结果表明:柔性钢框架设置外挂墙板后,结构承载力提高约19%;梁柱连接节点刚度对结构的抗震性能影响不大,两种连接形式下结构承载力仅相差6%;柔性钢框架外挂再生混凝土墙结构具有良好的延性,平均位移延性系数均大于3,建议与"中震可修"相对应的层间位移角限值取1/80~1/100;结构耗能主要由钢框架提供,设置外挂墙板后,对耗能能力的提高幅度约15%~20%;栓焊混合连接结构中钢框架内力分布均匀,梁柱节点整体性能好;平齐端板连接节点在强震下变形能力强,受压区翼缘局部翘曲;结构水平荷载主要由钢框架承担,外挂墙板承担约20%~30%。     

NiTi形状记忆合金电阻特性研究

建立了NiTi形状记忆合金的电阻特性模型,分析了不同温度条件下, NiTi形状记忆合金不同相的电阻相对变化与应变之间的关系.对NiTi形状记忆合金丝的电阻特性进行了试验研究,验证了该模型的有效性.当利用NiTi形状记忆合金制作传感元件时,应根据使用条件来确定NiTi形状记忆合金的相变温度.     

SMA粒子和短纤维填充的复合材料的力学特性

形状记忆合金（SMAs）由于其可塑的记忆效果,短期弹性、高阻抗容量和其他特性,因而具有感知和激励的功能。利用SMAs独一无二的特性,结合其他材料可用来制造出智能化或灵敏的合成材料。研究利用镍钛合金短纤维和颗粒制造的环氧合成材料的力学性能。由于加入了SMA,SMA／环氧合成材料具有更强的抗弯抗剪能力。特别在高温下,存储系数随着SMA显著增加。试验结果表明,SMA每增加3．5％,存储系数将有显著的增加,影响量级为环氧的6倍。当SMA相变接近120°时,存储系数增大到了最大值。SMA／ER3合成材料的损失因素随着SMA的增加而增加。基于Halpin-Tsai理论,具有SMA的薄层可以代表整个材料动力性能。相对于其他试验材料,在现有模型上得到的结论可以合理地预测这些动力响应。     

NiTi合金球节点在抗震网架结构中的力学性能分析

NiTi形状记忆合金（简称SMA）的材料性能优越,但对其球节点球形式的应力、应变分布规律及承载力等方面的研究还是一片空白。该研究中,以唯象学模型为基础,选用双线性等向强化塑性模型,并使用等向强化屈服准则,分析了静荷载和地震波两种类型荷载,得出：（1）SMA材料球节点弹性变形大,可较好地缓解外荷载所带来的破坏影响;（2）SMA球节点具有良好的延展和韧性特性,是一种典型的延性结构体系;（3）SMA球节点可有效地抑制球节点结构在地震荷载下的响应。     

大尺寸超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧滞回性能

利用2种镍钛形状记忆合金(SMA)研制了大尺寸超弹性螺旋弹簧,对其进行了单轴反复荷载作用下的滞回性能试验,研究了超弹性SMA螺旋弹簧的恢复力特性与耗能能力,分析了加载频率、位移幅值对2种SMA螺旋弹簧滞回曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移等力学性能参数的影响;采用刚弹性模型和Bouc-Wen模型,建立了适用于整体结构分析的SMA螺旋弹簧简化恢复力模型,并利用该模型进行了数值模拟。结果表明:超弹性SMA螺旋弹簧具有稳定的滞回曲线,且具有良好的复位性能和大变形能力,可用于结构自复位控制装置的研发;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化恢复力模型的正确性。     

Topology optimization and seismic collapse assessment of shape memory alloy (SMA)-braced frames: Effectiveness of Fe-based SMAs

This paper presents a seismic topology optimization study of steel braced frames with shape memory alloy (SMA) braces. Optimal SMA-braced frames (SMA-BFs) with either Fe-based SMA or NiTi braces are determined in a performance-based seismic design context. The topology optimization is performed on 5- and 10-story SMA-BFs considering the placement, length, and cross-sectional area of SMA bracing members. Geometric, strength, and performance-based design constraints are considered in the optimization. The seismic response and collapse safety of topologically optimal SMA-BFs are assessed according to the FEMA P695 methodology. A comparative study on the optimal SMA-BFs is also presented in terms of total relative cost, collapse capacity, and peak and residual story drift. The results demonstrate that Fe-based SMA-BFs exhibit higher collapse capacity and more uniform distribution of lateral displacement over the frame height while being more cost-effective than NiTi braced frames. In addition to a lower unit price compared to NiTi, Fe-based SMAs reduce SMA material usage. In frames with Fe-based SMA braces, the SMA usage is reduced by up to 80%. The results highlight the need for using SMAs with larger recoverable strains.     

形状记忆合金被动阻尼器及结构地震反应控制试验研究和分析

利用形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称SMA)的超弹性特性,本文提出了一种新型SMA阻尼器,将其安装在结构层间,抵抗结构地震作用。通过对阻尼器的构造设计,使其中的NiTi丝在结构振动过程中始终处于受拉状态,避免了合金丝的受压屈曲。文中首先针对一种直径为1.2mm的NiTi丝的超弹性特性进行了性能试验。试验结果表明,NiTi丝的超弹性滞回特性受其加载频率及循环圈数的影响,但当加载频率大于2Hz,加载循环圈数大于15圈后,该丝的超弹性滞回曲线趋于稳定。然后,将本文提出的SMA阻尼器安装在一个5层钢框架结构模型上进行了地震模拟振动台试验,验证了该SMA阻尼器可以有效减小结构的地震反应。最后,采用自回归(ARX)模型对无控和有控结构建模,分别采用最小二乘法和Kalman滤波法识别得到了无控结构和有控结构的ARX模型的参数,并由此进一步分析得到了无控和有控结构的各阶模态参数。     

超弹性形状记忆合金丝(NiTi)力学性能的试验研究

从土木工程振动控制的角度出发 ,通过NiTi形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验 ,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律 ,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。试验和分析结果表明 ,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力 ,可满足土木工程结构振动控制的需要。     

Hysteresis behavior of t-stub connections with superelastic shape memory fasteners

This study compares the energy dissipative characteristics of bolted t-stub connections using steel and shape memory alloy (SMA) fasteners. The initial phase of the study focused on the optimization of the SMA superelastic effect using two different heat treatment temperatures. The samples were then subjected to tensile testing to determine transformation stress, tensile strength, and fracture strain. In addition, low cycle fatigue tests were conducted to examine the energy dissipative characteristics of these superelastic SMAs heat treated at the two temperatures. The cycled samples were then tensile tested to determine the effect of fatigue cycling on transformation stress, tensile strength, and fracture strain. Results from the mechanical tests were analyzed to determine the preferred heat treatment temperature that resulted in the least residual strain and the largest energy dissipative characteristics. The second phase of the study involved t-stub connection testing using steel and SMA double-ended threaded rod fasteners. The optimum heat treatment determined in the first phase was used to develop the SMA fasteners for the t-stub connection tests. Experimental hysteresis results from the t-stub connection tests were used to compare the energy dissipation capacity of the connections with SMA and steel fasteners.     

含SMA拉索的点支式幕墙体系动力分析

根据Brisonde唯相理论 ,修正了现有的SMA分段线性化本构模型。基于SMA材料的特点 ,提出了装有SMA预应力拉索的点支式玻璃幕墙支撑体系的结构形式 ,建立其动力方程 ,利用SMA材料独特的相变伪弹性耗散地震能量。通过对装有SMA拉索和普通拉索的地震响应对照分析 ,检验了SMA材料的振动控制效果。算例分析结果表明 :在幕墙支撑体系中应用SMA拉索可以削弱地震作用。     

形状记忆合金超弹性特性试验研究

对形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)的超弹性特性进行了试验研究,得到了SMA的超弹性特性随环境温度、循环加载圈数以及加载频率等因素的变化规律,为进一步开发SMA被动阻尼器奠定了基础。