自复位钢木混合剪力墙：抗侧力性能试验研究与自复位机理参数分析

该文提出一种新型自复位钢木混合剪力墙体系,其由自复位钢框架、轻型木剪力墙及滑动摩擦型阻尼器组成。通过往复加载试验研究了自复位钢木混合剪力墙体系的抗侧力性能、破坏模式、剪力在钢框架与木剪力墙中的分配规律以及钢绞线内力变化规律。在此基础上,基于OpenSEES平台建立了自复位钢木混合剪力墙的数值模型,并通过试验数据验证了模型的准确性。利用该数值模型进行体系关键参数分析,研究了不同参数设置下自复位钢木混合剪力墙的自复位性能。分析参数选为阻尼器激发力水平及体系初始预应力水平。结果表明：自复位钢木混合剪力墙体系的滞回曲线呈“旗帜型”,自复位性能良好,大位移下阻尼器锁定可带来体系强度与刚度的二次提升;试验中,阻尼器长圆孔设置较长可有效减轻木剪力墙中损伤。参数分析结果显示,阻尼器激发力水平的提高会降低体系的自复位性能,相同阻尼器激发力水平下,体系初始预应力水平的提高不会持续提高体系的自复位性能;根据参数分析结果,给出了自复位钢木混合剪力墙体系中阻尼器激发力与体系初始预应力水平选取的建议公式。     

不同构造参数对弧形钢棒阻尼器性能的影响分析

为改善框架结构及底框结构梁柱节点的抗震性能,提出一种弧形钢棒阻尼器,介绍其构造和原理。设计12组不同构造参数的弧形钢棒阻尼器,采用ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究截面形状、钢棒数量、截面尺寸、跨度、曲率半径对其滞回耗能能力、承载力特性的影响。研究结果表明:圆形截面弧形钢棒阻尼器的初始刚度、耗能量、等效黏滞阻尼系数略小于方形截面弧形钢棒阻尼器,但其屈服位移较小;单棒布置的阻尼器的耗能效果优于双棒布置的阻尼器;随着阻尼器截面尺寸的增大,阻尼器的初始刚度、耗能量、等效黏滞阻尼系数增加明显,屈服位移呈先减小后增加的趋势;随着阻尼器跨度的增大,初始刚度和等效黏滞阻尼系数总体上呈下降趋势,屈服转角呈上升趋势;随着阻尼器曲率半径的减小,阻尼器的耗能量、等效黏滞阻尼系数、初始刚度逐渐减少,但屈服转角逐渐增大。     

基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

为提高建筑结构抗震韧性,实现震时响应可控,震后易修复的性能目标,提出一种基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器,给出一种基本构造方案,分析阻尼器不同阶段的工作原理,理论推导滞回曲线及各阶段刚度、承载力计算公式。通过多次往复加载试验,对碟簧和摩擦片的基本性能,以及多次地震作用下阻尼器的滞回性能和低周疲劳性能进行了考察。试验结果表明,高强钢碟簧性能稳定,复合摩擦材料耗能能力优异;基于两者组合的自复位消能减震阻尼器具有良好的可调节刚度、承载力以及优异的自复位性能;阻尼器滞回耗能稳定,可实现震后功能恢复,低周疲劳性能好。提出的阻尼器工作过程中各阶段刚度及承载力计算公式与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

形状记忆合金滑动摩擦阻尼器自复位支撑受力性能研究

当设置SMA滑动摩擦阻尼器延展为自复位支撑时，连接的刚度可能影响支撑的力学性能，支撑可能会出现面内旋转和整体失稳。为检验由形状记忆合金滑动摩擦阻尼器和钢管串联而成的自复位支撑能否实现预期的滞回性能，针对支撑的轴向刚度、转动刚度和稳定性进行理论分析。通过往复加载试验获得了形状记忆合金棒的滞回曲线和摩擦机制的动摩擦系数。制作了1个1/3缩尺的支撑试件，并进行了拟静力试验和频率为1.0 Hz的动载试验，结果表明，轴向荷载作用下，支撑的荷载-位移滞回曲线呈光滑稳定的旗帜形，展示出优越的自复位能力和良好的耗能能力。基于滞回曲线，分析了支撑的承载力、割线刚度、耗散能量和等效黏滞阻尼比等滞回性能参数，发现其等效黏滞阻尼比可达16%。建立了支撑的三维有限元模型，数值模拟与试验数据吻合良好。通过数值模拟对钢管的轴向刚度予以分析，发现当钢管的轴向刚度降低至文中基准模型刚度的20%时，可能导致钢管屈服和支撑整体失稳。     

体外预应力粗料石砌体墙抗震性能试验研究

通过7片体外预应力粗料石砌体墙的水平低周反复荷载试验,研究了体外预应力水平、预应力筋布置形式、窗洞口等不同参数对体外预应力粗料石砌体墙的受力过程、破坏形态、受剪承载力、滞回曲线、骨架曲线、变形能力、耗能能力以及刚度退化等的影响。研究结果表明:体外预应力粗料石砌体墙的受力与破坏过程可近似划分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和摩擦耗能阶段;体外预应力不仅大大提高了墙体的开裂荷载和峰值荷载,同时显著改善墙体的变形能力、延性和耗能能力;墙体开裂荷载和峰值荷载随着预应力水平的提高而增大;墙体滞回性能和耗能能力都随着预应力水平的提高先逐渐增强后逐渐降低,当体外预应力作用为0.3 MPa时达到最大;相比在墙体两端和中间同时布置体外预应力筋,预应力筋全部布置在墙体两端可以提高墙体的开裂荷载,但会降低墙体的峰值荷载,以及其滞回性能、能量耗散系数、刚度退化等抗震性能;开设窗洞口对墙体整体性能和抗震性能削弱明显,在实际结构中应尽量避免开过大的门窗洞口。根据试验及理论分析,提出了体外预应力粗料石砌体墙的受剪承载力计算式。     

低损伤预应力自复位装配式混凝土耗能框架节点试验和数值研究

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能,提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete,SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件,对其进行拟静力试验,研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点,低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能,预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm;试验中预应力筋始终保持弹性状态,初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力,耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳;梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加,且拉应变值明显大于压应变。此外,通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得,节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内,从而验证了有限元模拟方法的精确性,可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

玄武岩纤维加固砌体墙抗震性能试验研究

通过对4片无筋砌体砖墙在低周往复荷载作用下的试验,研究了玄武岩纤维加固砌体墙的抗震性能;分析了加固前后墙体的受力性能、滞回特性、刚度退化、耗能及变形能力等变化规律。研究表明:玄武岩纤维加固可以较大程度地提高砖墙的极限荷载和变形性能、有效延缓墙体裂缝发展、改善砌体脆性,从而显著提高结构的抗震性能;采用玄武岩纤维加固砌体结构是一种经济有效的结构加固方法。     

自复位装配式钢-混凝土混合框架节点抗震性能试验研究

结合装配式梁、柱构件螺栓连接施工便捷的特性与后张预应力筋预压连接的抗震性能优势,提出一种自复位装配式钢-混凝土混合结构框架节点,该节点由钢筋混凝土柱和钢-混凝土混合梁通过高强螺栓拼装而成,主要通过后张梁内的无黏结预应力筋提供复位力,并通过摩擦耗能装置与钢梁段塑性变形进行耗能。共完成了5个边节点的低周往复加载试验,分别研究了混合梁内预应力筋的初始预拉力与摩擦装置中高强螺栓的初始预紧力对该节点承载能力、抗震性能、耗能能力和复位能力的影响。研究结果表明：试件表现出明显的两阶段滞回特性,第一阶段为钢梁段屈服前,混凝土梁与钢梁段接触面呈现出持续开合复位机制,滞回曲线呈现明显双旗形,复位效果明显;第二阶段为钢梁段屈服后,随着荷载增大,钢梁的塑性变形逐渐增大,滞回曲线趋于饱满,试件耗能能力显著增加。试件的峰值荷载、延性系数和累积耗能值随摩擦装置中高强螺栓的初始扭矩增大而增大,峰值荷载和复位能力随梁内预应力筋的初始预拉力增大而增大。在整个试验过程中,各试件梁、柱主体构件损伤不明显,基本实现震后可恢复。     

具有耗能时序的变摩擦自复位阻尼器滞回性能研究

综合形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）材料和摩擦机制的优点,提出了一种具有耗能时序的变摩擦自复位阻尼器（self-centering variable friction damper with energy-dissipation sequences,SVFDES）。首先说明了SVFDES的构造设计及变形模式,开展了SMA棒的循环拉伸试验研究以确定材料的力学参数。之后利用经试验验证的数值模拟方法建立了SVFDES的精细化有限元模型,通过参数分析识别并研究了影响该阻尼器滞回性能的关键参数。最后通过对阻尼器的隔离体进行受力分析,推导了阻尼器滞回行为的理论计算公式。结果表明：（1） SVFDES在往复荷载作用下兼具自复位能力和耗能能力,并且呈现出“变摩擦”、“变刚度”的特征;（2）阻尼器的滞回行为对摩擦副的几何构形、摩擦面的摩擦系数较为敏感,而与SMA元件的预紧力弱相关;（3）理论计算公式和数值模拟的结果较为吻合。     

自复位预制框架边节点抗震性能试验研究

提出一种新型的自复位预应力预制节点形式PTED节点,为了研究PTED节点的抗震性能,进行5个PTED边节点的低周往复荷载试验,对试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力、延性及残余变形等抗震性能进行分析,试验结果表明:加载到层间位移角为4%时,预应力筋保持在弹性阶段,梁柱连接处缝隙及梁自身的裂缝均能在预应力筋的回弹作用下闭合,节点残余变形较小,PTED节点具有良好的自复位的能力,提高了震后结构的可修复性。加载过程中,梁柱基本保持弹性,而通过角钢的弹塑性变形耗散能量。增大角钢厚度、长度,增大梁高及减小预应力筋的初始应力可提高节点的耗能能力。节点的承载力随梁高的增加、预应力筋初始应力的增大、角钢厚度和长度的增大而提高。在加载后期,节点承受的荷载仍持续增长,加载到4%时,PTED节点仍具有稳定的屈服后刚度。PTED节点还具有较好的延性和梁端转动能力。PTED节点具有良好的抗震性能,可在地震区推广应用。     

Experimental and numerical study on low damage self-centering precast concrete energy dissipated frame connections

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能，提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete，SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件，对其进行拟静力试验，研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点，低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能，预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm；试验中预应力筋始终保持弹性状态，初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力，耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳；梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加，且拉应变值明显大于压应变。此外，通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得，节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内，从而验证了有限元模拟方法的精确性，可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

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。     

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     

盖板加强斜加劲钢板剪力墙受力性能

提出一种新型抗侧力体系——盖板加强斜加劲钢板剪力墙,运用有限元软件ANSYS15.0对斜加劲钢板剪力墙(DSW)、单侧盖板加强斜加劲钢板剪力墙(CSW-1)、双侧盖板加强斜加劲钢板剪力墙(CSW-2)结构进行单调加载、循环加载以及屈曲荷载研究,得到结构的荷载-位移曲线、滞回曲线、耗能能力、骨架曲线、屈曲系数、屈曲荷载等,对比分析了加强盖板斜加劲钢板剪力墙结构的受力性能。结果表明:单调加载条件下,加强盖板的存在提高了斜加劲钢板剪力墙的承载力和初始刚度,且双侧加强比单侧加强更优; 循环加载条件下,加强盖板使得盖板加强斜加劲钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满,刚度退化更缓慢,表现出良好的延性,且双侧盖板加强效果比单侧加强效果明显; 斜加劲肋对内填钢板的平面外变形约束明显,盖板对加劲肋的平面外约束明显,可以在较小的用钢量下获得较大的弹性屈曲荷载增幅,是十分有效的加强方式,综合考虑加劲肋与加强盖板对结构弹性屈曲荷载的影响,建议肋板刚度比取30,盖板相似比取0.5。     

基于SMA装置的框架-受控摇摆墙结构抗震性能试验研究

该文提出一种新型的框架-受控摇摆墙结构实现形式,由SMA装置代替传统的预应力筋实现摇摆墙体的受控约束,在墙体与基础之间安装V形铰接支座实现墙体的摇摆及提供竖向支撑,并在墙体与框架柱间安装耗能连接件增强摇摆结构的耗能能力。通过一个对比框架试件和一个基于SMA装置的框架-受控摇摆墙试件的低周往复试验,对比研究所提出的新型结构形式的抗震性能、破坏模式和自复位特性。试验结果表明：基于SMA装置的框架-受控摇摆墙结构的刚度和承载能力得到显著提高,提高幅度分别达到150%和103%;耗能连接件有效地发挥延性变形特性,使结构的滞回耗能能力显著提高,提高幅度达到183%,有效地减轻主体结构梁端、柱端以及梁柱节点区的损伤;所研发的SMA装置有效地实现了预设的工作机制,为摇摆墙体的自复位提供了恢复力;摇摆墙、耗能连接件和SMA装置的参数匹配还需进一步深入研究。     

拉压变轴力下小剪跨比预应力混凝土墙往复受剪试验研究

为了研究预应力混凝土（PC）剪力墙的抗震性能,提出剪力墙在拉压变轴力作用下的水平往复加载试验加载制度,完成3片剪跨比为1.0的预应力混凝土墙在恒定轴拉力、恒定轴压力和拉压变轴力作用下的水平往复加载试验,研究其破坏模式、滞回性能、承载力、变形能力、刚度和残余裂缝宽度,并与型钢混凝土（SRC）墙和普通RC墙的抗震性能进行了对比。试验结果表明：恒定轴拉力试验中,预应力混凝土墙发生了腹板剪切破坏;恒定轴力试验中墙体发生了斜压破坏;拉压变轴力试验中,墙体在压剪方向加载时发生剪压破坏。拉压变轴力加载导致预应力混凝土墙拉剪和压剪承载力分别降低了18.7%和10.5%。预应力混凝土墙在恒定轴拉力和拉压变轴力作用下的极限位移角为1.2%~1.6%,变形能力大于JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的弹塑性位移角限值(1/100);恒定轴压力试验中水平峰值荷载超过了墙体截面受剪承载力限值,出现斜压破坏,极限位移角仅为0.6%。预应力混凝土墙试件与SRC墙试件的刚度、承载力和变形能力接近,前者的残余裂缝宽度小于后者的,表现出更好的震后可修复性。由于预应力有效抑制了墙体水平贯通裂缝的形成、防止出现沿水平裂面的滑移破坏,因此在较大轴拉力水平时预应力混凝土墙比普通RC墙的抗侧刚度和承载能力均显著提高。总体来看,预应力混凝土墙抗震性能优良,是一种改善高层建筑中受拉剪力墙抗震性能的有效手段。     

自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙滞回性能研究

为改善自复位钢板剪力墙结构中由钢板墙对框架柱的附加弯矩造成的框架柱截面尺寸增大及平钢板剪力墙过早屈曲导致的承载力下降的情况,提出一种采用侧边加劲半圆形波纹钢板剪力墙的自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙,通过对其各组成部分的力学特性进行分析得到自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙的恢复力模型及影响其可恢复性的关键点和参数。采用通用有限元软件ABAQUS建立了单层单跨自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙的分析模型,通过参数分析研究了自复位钢框架及半圆形波纹钢板剪力墙设计参数对自复位钢框架 半圆形波纹钢板剪力墙滞回性能的影响。结果表明：随着自复位钢框架的第二与第一刚度比及预应力钢绞线的初始张拉力的增大,自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙的复位性能增强,但当层间位移角大于1.5%时,耗能性能随着自复位钢框架的第二与第一刚度比及初始张拉力的增大反而降低;随着波纹钢板剪力墙的弹性初始刚度与自复位钢框架第一刚度比及侧边加劲半圆形波纹钢板剪力墙圆弧直径的增大,自复位钢框架-半圆形波纹钢板剪力墙的复位性能降低,当层间位移角大于1%时,耗能能力随着波纹钢板剪力墙的弹性初始刚度与自复位钢框架第一刚度比及圆弧直径的增大而提高。