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BRS板耗能部分自复位连接——钢梁组合框架层间抗震性能分析

为了研究新型卷边PEC柱BRS板部分自复位连接组合框架结构层间抗震机理,以试件T形件上下翼缘均固定于PEC柱为基本试件,考虑BRS板宽度、预拉杆尺寸和竖向力3个设计参数,设计另3个对比模型试件,并采用ABAQUS有限元软件对其施加低周往复荷载以模拟其抗震机理。通过模拟结果及数据分析,得到各试件往复荷载下的滞回曲线、残余位移曲线、耗能曲线及应力云图,对试件承载能力、自复位功效、耗能能力和部分自复位连接传力机理进行了分析。研究结果显示:BRS板宽度的增大有效加强结构耗能功效,却相应减弱结构自复位性能;预拉杆长度的增加促使结构残余变形增大,削弱了结构自复位功效;竖向力的设置能够有效降低结构侧移小于0.02 rad下残余变形,结构侧移超过0.02 rad,竖向力加剧结构残余位移,降低结构自复位性能;所有试件在加载超过框架结构中震层间侧移角限值0.02 rad,试件层间侧移角与连接转角残余值均基本满足自复位结构残余侧移角限值0.005 rad的要求,试件具有良好的自复位功效和抗倒塌性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

方钢管混凝土柱与钢梁全螺栓节点抗震性能试验研究

通过对6个钢管混凝土柱-钢梁全螺栓连接节点及1个栓焊节点的低周反复加载试验,研究了全螺栓连接节点的破坏模式、承载力以及延性性能。试验表明:当试件的弹塑性层间位移角达到规范限值的2.15~3.02倍时,全螺栓连接试件仅在连接板件远端处钢梁翼缘上出现较小的鼓曲变形,变形幅度远小于栓焊节点;全螺栓连接节点具有更大的塑性变形能力、更大的峰值荷载和更长的屈服平台,能够满足抗震规范位移限值要求。试验指出,全螺栓连接节点的各组件在地震作用下都能发挥耗能作用,耗能机制包括连接板和钢梁翼缘间的摩擦耗能、栓杆与孔壁挤压耗能、连接板下的钢梁翼缘塑性变形耗能以及连接板远端处钢梁塑性耗能等。全螺栓连接试件的滞回曲线包括相对平直段和上升段,分别对应连接板与钢梁翼缘的滑动摩擦阶段和螺栓孔与螺杆的接触挤压阶段。试件经过多级位移循环加载后,摩擦力衰减明显,约为屈服荷载的50%;每级位移加载后期,由于螺栓杆与孔壁产生接触作用,试件的承载力相比摩擦滑移阶段明显增大,并且随位移加载幅值的增大而增大,峰值荷载可达到屈服荷载的2~3倍。     

T形钢连接梁柱半刚性节点滞回性能试验研究及数值分析

为研究T形钢连接梁柱半刚性节点的滞回性能,对6个T形钢连接梁柱半刚性节点试件进行拟静力试验。分析梁高、螺栓直径、T形连接件尺寸、螺栓个数以及柱截面面积等参数对节点的受力过程、破坏模式、滞回性能、延性性能的影响。利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行分析,将分析结果和试验结果进行对比并分析了误差产生的原因。研究结果表明:T形钢连接梁柱节点变形性能良好,节点的极限转角均超过0.03 rad,是典型的半刚性连接节点;节点延性性能良好,各节点位移延性系数均大于3;各试件的滞回曲线在加载后期呈Z形,节点耗能系数较小(与端板连接半刚性节点相比);T形连接件尺寸和连接柱及T形件的螺栓个数是影响节点初始刚度、承载力和变形能力的主要因素,梁高对节点性能的影响次之;有限元分析结果与试验结果基本吻合;采用考虑材料循环塑性特征的有限元分析模型可以很好地预测节点在循环荷载作用下的受力性能。     

设置垫板的梁柱T形件连接节点抗震性能试验研究

针对传统钢结构梁柱连接在地震中易脆性破坏,改进连接震后不易修复等问题,提出设置垫板的梁柱T形件连接构造措施。设计、制作3个不同形式的梁柱T形件连接试件,分别为未设置混凝土板的连接节点、设置混凝土板的连接节点和未设置混凝土板的传统梁柱T形件连接节点,对其进行往复荷载作用下的拟静力试验,研究试件的抗弯刚度、承载力、延性、滞回性能、耗能能力、破坏模式等。此外,更换梁下部翼缘处已破坏的T形件进行修复,并对修复后的试件进行拟静力试验。结果表明：设置垫板的T形件连接节点在往复荷载作用下具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;破坏试件的梁、柱均不发生屈服,转动中心位于梁端上部翼缘附近,能够保证在地震作用下梁端上部翼缘连接部位不发生破坏,并能够保护梁上混凝土楼板不发生较大的损坏;混凝土楼板的存在会提高节点正弯矩下的初始刚度和承载力,并使弯曲中性轴上移;更换梁下部翼缘处已破坏的T形件进行修复,修复后试件的滞回性能与原试件无明显差异。     

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。     

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。     

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。     

单边螺栓-T形件连接节点滞回性能试验研究

基于复式钢管混凝土双层钢管的截面特点,设计了单边螺栓-T形件连接节点,并对5个单边螺栓-T形件连接节点和1个穿芯螺栓-T形件连接节点进行了低周往复荷载试验。通过数字散斑相关方法(DSCM)得到了试件的弯矩-转角变化关系曲线。结果表明：试件滞回曲线均呈饱满Z形,节点破坏形态为T形件翼缘屈服后钢梁塑性变形,T形件因不同的加肋方式出现了三种变形特征。除了T形件翼缘厚度较薄且未加肋的试件为部分强度半刚性节点外,其余节点试件均为全强度半刚性节点;加肋T形件节点比无肋试件极限承载力提高了30%,但延性明显降低;对比穿芯螺栓-T形件连接节点,单边螺栓栓-T形件连接节点初始刚度略低、承载力相当,但变形能力明显提高,滞回性能得到改善;往复荷载下单边螺栓-T形件连接节点为拉压交替式工作,受拉螺栓能够得到较强的锚固连接强度,单边螺栓-T形件连接节点在复式钢管混凝土结构中传力可靠,结构整体性较好。     

外伸端板高强螺栓受拉连接的计算分析

针对国内外关于外伸端板高强螺栓受拉连接的受力分析方法,研究端板刚性、弹塑性、塑性和T形件4种力学计算模型。端板刚性分析中将端板按无弯曲变形的刚性体考虑;弹塑性分析中假定受拉翼缘两侧的两排螺栓承担相同拉力,并考虑端板的部分塑性变形;塑性分析中每个螺栓的受力依赖于其本身的承载力,各排螺栓随拉力的增大依次达到屈服;T形件模型考虑端板的弹塑性变形,将受拉翼缘和螺栓简化为T形连接件。通过例题研究4种计算模型下高强螺栓受拉连接的计算方法,可为工程设计提供参考。     

循环荷载作用下不锈钢T形件螺栓连接滞回性能试验研究

为研究不锈钢T形件螺栓连接的滞回性能,分别参照JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》和FEMA 461设计了两种不同的循环加载制度,开展16个不锈钢(奥氏体型S30408、双相型S22253)T形件和4个普通钢(Q345B)T形件螺栓连接试件的低周循环加载试验,获得了T形件的滞回曲线和破坏形态,得到了T形件在循环荷载作用下的循环硬化、强度退化特性和耗能能力。研究结果表明：不锈钢T形件的滞回性能明显优于普通钢T形件的,前者耗能平均为后者的2.07倍;循环荷载作用下T形件的破坏形态主要包括螺栓断裂和翼缘板靠近焊趾处断裂两类,与T形件的单调加载破坏模式和加载制度有关;两种牌号不锈钢T形件在循环荷载作用下均表现出较为明显的循环硬化特性,试验后期则由于裂纹的萌生和发展呈现出强度退化;相对于FEMA 461的加载制度,采用JGJ/T 101—2015的循环加载制度得到的T形件的加载圈数和总耗能能力均较大。