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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

全装配式预应力自复位混凝土框架的抗震性能

全装配式预应力自复位混凝土框架是将无粘结预应力技术和摩擦耗能技术应用到传统预制装配式框架中的一种新型结构体系。其中,梁-柱和柱-基础节点均采用无粘结预应力进行连接,提供结构的震后复位能力;梁端设置了摩擦耗能装置,用于耗散地震能量。本文采用非线性静力和动力时程分析方法,研究了一个3跨2层的自复位混凝土框架的抗震性能,并和传统现浇混凝土框架的抗震性能进行了对比分析。结果表明,和传统现浇混凝土框架相比,自复位混凝土框架具有更大的侧向刚度和较小的耗能能力。在中震和大震作用下,自复位混凝土框架的残余变形很小,最大层间侧移角要稍大于传统现浇混凝土框架;而传统现浇混凝土框架在大震作用下的残余层间侧移角已达到0. 67%,震后修复代价较大。     

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。     

装配式自复位摇摆钢框架抗震性能研究

为了减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏,提出了具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理。设计并加工了一榀缩尺比例为1/4的摇摆钢框架,对其进行了低周反复加载试验和有限元模拟,研究其抗震性能。结果表明：利用复合组合碟形弹簧的弹性恢复力能够实现柱脚在强震作用下的可控摇摆,通过梁柱节点的消能减震装置有效控制了结构的累积损伤与残余变形;摇摆钢框架的滞回曲线是较为饱满的旗帜形,表明其具有较好的自复位性能和耗能性能;在加载至层间位移角1/30时,梁柱节点和柱脚没有发生任何屈服或屈曲,主体结构保持为弹性,损伤与破坏集中在消能减震装置处,拆卸和更换消能减震装置后,再加载曲线与原曲线基本吻合,有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标;有限元的模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立的有限元模型能够较好地模拟摇摆钢框架在循环加载时的滞回性能。     

装配式自复位摇摆钢框架的恢复力模型

传统的钢框架结构在强烈地震作用下梁端和柱脚通常会出现塑性铰,导致结构产生较大的塑性变形。为此,提出了一种装配式自复位摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理,通过理论分析建立了该结构的恢复力模型。设计了单层和双层的传统钢框架结构模型和装配式自复位摇摆钢框架结构模型,通过有限元软件ABAQUS对结构模型的滞回性能进行了有限元分析。对比研究表明：采用所建立恢复力模型的计算结果与有限元分析结果吻合较好,验证了恢复力模型的正确性;装配式自复位摇摆钢框架模型在循环荷载作用下滞回曲线为旗帜形,具有良好的自复位性能;当加载至层间位移角0.02rad时,装配式自复位摇摆钢框架的梁柱节点和柱脚无塑性铰出现,结构基本无损伤,而传统钢框架结构受损严重。     

带耗能钢板的自复位方钢管混凝土框架抗震性能研究

为了减小“梁增长”现象对自复位框架的影响,提出一种自复位方钢管混凝土框架,该框架由钢管混凝土柱、钢梁及带耗能钢板的自复位梁柱节点组成。对3榀1/3比例的自复位方钢管混凝土框架进行低周往复荷载试验,研究其自复位性能和抗震性能。利用有限元软件ABAQUS对其进行了非线性数值分析,并验证了有限元模型的准确性,同时构建足尺模型研究了钢绞线初始预拉力和耗能钢板耗能段截面积对自复位框架性能的影响。结果表明：加载至2%层间位移角时,自复位框架表现出较好的自复位能力和耗能能力;增大钢绞线初始预拉力,结构承载能力与耗能能力增强,自复位能力先增强后减弱;增大耗能钢板耗能段截面积,结构的承载力随之增大,残余变形亦增大,自复位能力减弱。     

预应力预制框架节点修复机理试验研究

基于工程可修复及震后快速修复的需求,提出一种新型自复位预应力预制框架节点形式(PTED节点)。为了研究PTED节点的抗震性能,进行低周往复加载试验,试验结果表明,节点的弹塑性变形集中在耗能角钢上,梁、柱构件及预应力筋基本保持弹性,卸载后节点具有良好的自复位能力,残余变形小。基于PTED节点的自复位功能及损伤集中的特点,提出PTED节点的修复机理和修复方法,即震后利用预应力筋的回弹复位功能使结构恢复到正常状态,然后更换受损角钢完成修复。为了验证修复机理的正确性和修复方法的可行性,对修复后节点重新进行低周往复加载,试验结果表明,修复后节点的抗震能力与原节点基本等同。     

带中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架拟动力试验

为解决较大跨度自复位钢框架结构层间位移角可能超限或耗能不足的关键问题,课题组前期提出将中间柱型阻尼器应用于装配式自复位钢框架。但是因门窗开洞等要求而不能在跨中处设置中间柱型阻尼器,从而提出了带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架,对其进行了拟动力试验,并与带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架的拟动力试验进行了对比,分析了其位移响应、滞回性能、中间柱摩擦阻尼器滑动、索力及典型部位应变变化等。结果表明,两榀框架震后短梁-长梁连接界面处残余转角和索力降低均较小,具有良好的开口闭合机制,耗能能力较优,能够有效避免主体结构的损伤,且带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架控制结构侧移效果更好,耗能性能更优,适用于较大跨度的多高层结构。     

中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架数值模拟

装配式自复位钢框架具有震后结构自动复位、结构残余变形及损伤较小、可以恢复结构正常使用功能等优势。但是当装配式自复位钢框架跨度较大时,常因刚度不足导致其层间位移角不能满足抗震设计规范限值要求。为此,提出了中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架,在拟动力试验研究基础上,通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并与试验结果进行对比分析;在数值模拟校验的基础上,通过有限元分析研究了施加竖向活荷载对中间柱型阻尼器工作机制的影响。研究结果表明：数值模拟与子结构拟动力试验结果在结构位移峰值、滞回性能、索力变化等方面吻合较好,数值模拟方法可靠;中间柱型阻尼器可提高框架结构的抗侧刚度,有效控制结构层间位移角,同时提高结构耗能能力,延缓主体结构塑性发展进而保护主体结构,减小结构残余变形并控制损伤;中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架具有良好的自复位能力,竖向活荷载对中间柱型阻尼器滞回性能及耗能能力影响不大。     

复合自复位结构基于概率的性能评估

复合自复位结构体系由基本功能分区（主结构）和损伤控制分区（次结构）组成,对于基本功能分区,可实现结构的正常使用功能,承担大部分的地震作用和全部的重力荷载,由传统的框架结构实现;对于损伤控制分区,可实现自复位和耗能,分担剩余的地震作用和降低结构的层间位移集中程度,可由自复位耗能框架实现。基于刚度需求的设计方法分别设计了无耗能机制、以BRB作为耗能机制和以自复位阻尼器作为耗能机制的三种复合自复位结构。将最大层间位移角和残余层间位移角作为变量,采用联合概率密度函数对三种复合自复位结构和无控结构进行性能评估。根据对联合概率密度函数演化、易损性曲线和层间位移集中系数的分析,结果表明：复合自复位结构可以有效降低结构最大层间位移角和残余层间位移角的均值和离散性,其中,以自复位阻尼器作为耗能机制的复合自复位结构具有最好的控制效果;复合自复位结构可以有效降低残余位移对结构损伤概率的影响;复合自复位结构可以较好地控制结构层间位移集中系数,降低薄弱层出现的可能性。     

带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为减小耗能部件对自复位性能的影响,提出一种带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱 钢梁节点。对4个2/3缩尺比例的自复位节点试件进行了拟静力试验,研究钢绞线初始预应力、耗能钢棒直径及是否布置楔形装置对节点受力性能、自复位性能和抗震性能等的影响。结果表明：在梁端往复荷载作用下,各试件的滞回曲线均为典型的“双旗帜”形,具有良好的自复位性能和耗能能力。加载过程中,仅耗能钢棒进入塑性,主体构件及钢绞线均保持弹性。震后仅需更换耗能钢棒并调整楔形装置位置即可快速恢复使用功能。增加钢绞线初始预应力可以显著提高节点的承载力;增大耗能钢棒直径明显提高了节点的承载力和耗能能力;设置楔形装置可以显著提高节点的耗能能力。提出了带楔形装置自复位节点的简化恢复力模型,简化恢复力模型与试验滞回曲线吻合较好。