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。     

部分包裹混凝土组合柱-钢梁端板连接框架结构抗震性能试验研究

为了研究端板厚度和柱翼缘厚度对部分包裹混凝土组合柱(PEC柱)-型钢梁端板连接框架结构抗震性能的影响,对3榀PEC柱型钢梁端板连接框架进行低周反复荷载试验,得出各框架试件的滞回曲线、极限承载力、转角延性系数以及初始刚度等抗震性能数据。试验表明: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%,转角延性系数提高10%,耗能能力增加12.87%。柱翼缘厚度由12mm增加到16mm,试件最大承载力提高13.00%,初始刚度提高50.77%,耗能能力增加9.80%,但转角延性系数降低3.4%。增加柱翼缘厚度可以明显提高框架的极限承载力。端板和柱翼缘厚度越大,框架节点初始转动刚度越大。增加端板厚度可以明显改善框架节点的转角延性,增加柱翼缘厚度会降低框架的转角延性。为探究上述规律的一般适用性,以试验为基础,进行有限元模拟拓展分析,得到与试验类似结论。     

工厂加工制作的特殊构造梁柱节点抗震性能试验研究

为研究工业用途的某特种钢结构的抗震性能,选取其中3个特殊构造梁柱节点,即柱强轴方向带悬臂梁段的端板螺栓节点(试件I)、柱强轴方向有梁的弱轴方向异型盖板焊接节点(试件II)、柱强轴方向无梁的弱轴方向异型盖板焊接节点(试件III),制作足尺试件,进行循环荷载作用下的拟静力试验,研究端板连接、空间加载制度以及特殊的构造形式对节点破坏形态、承载力、塑性转角、延性及耗能能力的影响。试验结果表明:3种形式节点试件的梁端最大塑性转角均能达到0.025 rad,位移延性系数大于4.0,累积塑性转角可达最大塑性转角的20~30倍,承载力可达到梁全截面塑性承载力的1.0~1.3倍;试件II的最大层间位移角达到0.035 rad,最终因梁中发生局部屈曲而破坏,而试件I和试件III的最大层间位移角可达0.040 rad,满足美国钢结构抗震设计规范中对特殊抗弯钢框架梁柱节点转动能力的限值要求,破坏形态分别为螺栓拉断、盖板出现延性开裂。研究结果表明,试件II和试件III抗震性能良好,试件I因端板螺栓连接承载力不足,导致其耗能能力较差,因此需从设计上加以改进。     

盖板加强型节点钢框架子结构抗震性能试验研究

为研究盖板加强型节点钢框架结构的抗震性能,通过3榀1∶3缩尺盖板加强型节点钢框架子结构的低周往复加载试验,分析了此类子结构的滞回性能、刚度、延性、等效黏滞阻尼比,以及此类钢框架子结构侧向倒塌时的层间位移角、层间累积延性及累积耗能系数.研究表明:薄壁钢梁钢框架子结构试件的钢梁端部先屈曲后屈服,对应的层间最大位移角均值为3.5％,层间累积塑性位移角为45.5％,层间累积位移角延性比为43.3,层间累积塑性耗能系数为33.05;厚壁钢梁钢框架子结构试件在钢梁端部进入塑性后,其梁柱连接区域的焊缝断裂,对应的层间最大位移角均值为6.2％,层间累积塑性位移角为85.6％,层间累积位移角延性比为61.2,层间累积塑性耗能系数为72.66;厚壁钢梁钢框架子结构试件的钢梁端部形成理想塑性铰,对应的层间最大位移角可达7.2％,层间累积位移角为162.9％,层间累积位移角延性比为139.3,层间累积塑性耗能系数为117.58.     

三层预压装配式预应力混凝土框架抗震性能试验研究

通过对一榀三层预压装配式混凝土框架的拟静力试验,了解框架承载力和破坏模式,得到框架位移滞回曲线、梁端转角滞回曲线,研究预压装配式混凝土框架的破坏机制、刚度退化、滞回性能、耗能能力、梁端转角延性等抗震性能。研究结果表明：在低周反复荷载作用下,框架梁端率先出现塑性铰,梁端截面转角延性系数在3.64至5.62之间;节点在柱轴向压力和水平预应力的共同作用下,核心区处于双向受压状态,节点的抗裂性能、框架整体抗侧刚度和变形恢复能力较好;加载至框架层间位移角为1/42～1/67时,框架承载能力没有出现明显下降,预压装配式框架属“强柱弱梁”型结构。     

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。     

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。     

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。     

不同连梁节点构造的联肢钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

为研究不同连梁节点构造时联肢钢板剪力墙结构的抗震性能,制作了3个缩尺比例为1∶3的联肢钢板剪力墙试件。试件中连梁与柱的连接分别采用隔板贯通式焊接节点、穿芯螺栓节点和悬臂梁段-端板节点,竖向边缘构件采用方钢管混凝土柱。对3个试件进行了拟静力试验,得到了联肢钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线、特征荷载和位移等指标,分析了结构的延性、耗能能力、承载力及刚度退化等性能。结果表明,各试件位移延性系数均大于5.37,等效黏滞阻尼系数均大于0.211,刚度和承载力退化稳定,承载力退化系数均大于0.91。连梁节点的差异导致各试件的屈服顺序均不相同,采用穿芯螺栓连梁节点的试件,连梁先发生剪切屈服,耗能能力最优;采用悬臂梁段-端板连梁节点的试件,连梁与剪力墙板几乎同时屈服,耗能能力次之;采用焊接连梁节点的试件,连梁因节点焊缝断裂而破坏,试件初始刚度较高,承载力与耗能能力低于其他试件。总体上,各试件的剪力墙板与连梁均发生了较严重的破坏,实现了多道抗震设防的设计目标。     

PEC柱-型钢梁框架中节点抗震性能试验研究

为研究部分包裹混凝土(PEC)柱-型钢梁框架中节点的抗震性能,以端板厚度、柱翼缘宽厚比以及是否增设背垫板为参数,对4榀焊接H形钢部分包裹混凝土柱-型钢梁框架中节点进行低周反复荷载试验,分析其破坏模式、承载力、滞回性能及延性等。并以此为基础,建立有限元拓展模型。试验和有限元结果表明：各节点滞回曲线均为饱满的梭形;节点处梁翼缘、腹板变形明显,节点域出现塑性铰;端板厚度由18mm增加到24mm,节点承载力提升7.1%;柱翼缘宽厚比由8减小到6,节点承载力提升17.3%;增设背垫板后,节点承载力提升14.2%;加载过程中节点刚度退化稳定,屈服后承载力退化系数约为0.9;节点位移延性系数介于3.72~5.34之间,等效黏滞阻尼系数介于0.537~0.619之间;节点破坏时,层间位移角介于1/26~1/24之间,变形性能满足抗倒塌设计要求。基于节点受力分析,建立节点域抗剪计算模型,提出PEC柱-型钢梁框架中节点受剪承载力计算公式,计算结果与试验值及有限元模拟结果较为吻合。     

梁端腋板加强节点抗震性能试验研究

针对钢框架梁端腋板加强节点,设计制作6个梁柱节点试件,进行低周往复加载拟静力试验,分析对称和非对称腋板加强式节点的破坏模式、承载力、延性、耗能、刚度及承载力退化等抗震性能,并与板式加强式和普通节点试件的抗震性能进行比较。试验研究表明:梁端腋板加强式节点试件在加载过程中表现出良好的塑性变形能力,能有效将塑性铰移至加强板以外位置,荷载-位移滞回曲线比较饱满,表现出良好的耗能能力和延性,加强板末端梁腹板设置的横向加劲肋可以减缓腋板端部变截面处的应力集中现象。非对称腋板加强式节点试件的正负向加载刚度表现出不对称性,随梁端塑性铰形成,等效刚度退化趋向稳定,普通节点试件等刚度退化曲线呈直线降低,非对称腋板加强式节点试件的承载力退化曲线波动较大。     

框架-阻尼框筒结构抗震性能模型试验研究

为了验证框架-阻尼框筒结构的抗震性能,通过对1∶2缩尺的两层单跨阻尼墙-框架结构模型开展往复加载试验,研究在循环荷载作用下结构模型的破坏特征、承载力、延性、刚度退化、承载力退化和耗能能力。结果表明：随着位移的增加,阻尼墙最先屈服,然后梁出现塑性铰,最后柱出现塑性铰;整体结构屈服荷载和峰值荷载分别为1 012.5 kN和1 253.7 kN,极限层间位移角为1/31,位移延性系数超过4.13,刚度退化平稳,承载力退化缓慢;阻尼墙在屈服前为结构提供50%刚度,屈服后为结构提供34%～45%的承载力;框架-阻尼框筒结构在多遇地震和罕遇地震作用下的层间位移角限值可分别取1/550和1/50。     

型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点滞回性能试验研究

为研究型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点的滞回性能,以柱截面配钢形式、轴压比、水平加载角度及 有无楼板参与工作为变化参数,进行4个平面和7个空间L形柱-混凝土梁框架节点的拟静力试验;比较分析试件的 破坏形态、滞回曲线、承载能力、刚度退化、耗能能力、位移延性以及层间位移角等抗震性能指标。研究结果表 明：平面节点和空间节点的破坏形态分别为核心区发生剪切破坏和梁端出现塑性铰,带楼板工作的钢筋混凝土梁 柱空间节点出现板的弯曲破坏以及梁底出现塑性铰的破坏模式;配实腹式型钢试件的滞回曲线比配空腹式型钢试 件的饱满;平面节点的承载能力比空间节点的大,但耗能能力、位移延性及抗倒塌能力均不及空间节点;楼板的 存在对节点承载能力的提高和维持刚度的稳定均具有有利作用;轴压比可提高节点的承载力和初始刚度;L形柱 框架节点的层间变形能力大于规范规定的层间位移角限值。通过引入加载角度,提出了型钢混凝土L形柱-梁空间 节点受剪承载力计算模型,其能较好地反映节点核心发生剪切破坏的传力机制。     

基于材料损伤的内隔板式异形钢管混凝土节点延性研究

对9个内隔板式异形钢管混凝土节点试件进行了低周反复荷载试验,研究了该类节点试件损伤破坏全过程,得出节点域腹板肢钢腹板第一薄弱点、最薄弱点的位置,以及钢腹板全截面屈服时最薄弱点处残余应变发展规律。在此基础上,研究了内隔板式异形钢管混凝土节点试件位移延性系数、塑性发展系数和延性发展系数,分析了柱截面形状、柱截面肢高肢厚比、轴压比、节点域第一薄弱点位置、最薄弱点位置对内隔板式异形钢管混凝土节点试件延性的影响。结果表明:该类节点试件位移延性系数高于普通钢筋混凝土异形节点的位移延性系数,表现出良好的抗震性能;柱截面肢高肢厚比相同时中节点试件塑性发展系数小于角节点、边节点试件,随着轴压比的增大中节点试件塑性发展系数逐渐增大;柱截面肢高肢厚比相同时角节点、边节点试件延性发展系数小于中节点试件,最薄弱点出现在节点域中心附近的试件延性发展系数较小;柱截面肢高肢厚比为3时的中节点、边节点试件塑性发展系数、延性发展系数平均值大于柱截面肢高肢厚比为2时的对应值。     

薄壁方钢管混凝土柱-空心钢管梁加腋节点抗震性能试验研究

以轴压比为主要考察参数,对4个1∶1足尺模型的薄壁方钢管混凝土柱-空心钢管梁加腋节点进行低周反复荷载试验。通过试验观察其受力过程和破坏形态,得到梁端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,并分析节点的刚度退化、延性和耗能能力。结果表明:加腋板增强了节点域刚度,避免了焊接区域板件的脆性断裂,节点破坏由梁的局部屈曲引起,塑性铰形成于梁上并远离节点区域,柱和节点域基本完好,较好地满足了"强柱弱梁,节点更强"的抗震设计要求;试件的滞回曲线较饱满,延性系数为2.00~2.70;随着位移幅值的增加,试件的耗能能力不断提高,耗能性能良好;试件的极限承载力、延性及耗能能力等随轴压比增大无明显变化。     

钢管混凝土组合节点的抗震性能及其影响因素研究

采取柱端加载模式进行了4组钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点的拟静力加载试验,考察了柱截面空心率和端板连接形式对节点破坏模式、柱端载荷-位移滞回曲线、弯矩-转角关系曲线和耗能能力的影响。结果表明,平齐端板连接和外伸端板连接节点试件的破坏模式基本相同;在相同空心率条件下,平齐端板连接节点柱边缘的裂缝相较于外伸端板连接节点试件更少,外伸端板连接节点试件的极限承载力、耗能能力、初始刚度、抗弯承载力和初始转动刚度要高于平齐端板连接节点试件;在相同端板连接条件下,空心率较低的节点试件的极限承载力、耗能能力、初始刚度、抗弯承载力和初始转动刚度要高于空心率较高的节点试件。在极限状态下,4种节点试件的等效粘滞阻尼系数ξ_c都保持在0.204～0.235之间,耗能能力优于钢筋混凝土柱节点,并与钢管混凝土柱外加强环节点的耗能能力相当,4种节点试件具有较强的耗能能力。     

门式刚架构造改进型节点试验研究

通过对门式刚架梁柱改进型和常规螺栓端板竖放连接节点的低周往复加载试验,对试件的承载力、滞回曲线、刚度退化和等效粘质阻尼系数及破坏模式等进行研究,且分析了试件破坏的原因.结果表明:经过构造改进的圆弧形整体式和弧形加腋螺栓端板竖放节点比常规节点,向下极限承载力均提高21.4%;刚度损伤明显减小;极限荷载时节点域变形较小,避免了高三轴应力作用下节点的脆性破坏;试件SP-2延性和耗能性能明显得到改善,塑性转角满足延性刚架要求.     

宽肢组合异形柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为研究适用于高层钢结构住宅体系的组合异形柱框架结构的翼缘加强型节点的抗震性能,设计了两种不同构造形式的足尺节点试件,即格构式宽肢组合异形柱节点和实腹式宽肢组合异形柱节点,并进行拟静力试验,研究了该类节点的破坏形态、滞回性能、承载能力、梁端转角、延性及耗能能力。试验结果表明：2个节点最终均在加强件端部发生了翼缘开裂而破坏;节点的受弯承载力是梁端全截面塑性承载力的1.10~1.13倍;钢梁转角是梁端总转角的主要组成部分,节点区转角只占梁端总转角的1.0%~1.8%,柱变形转角占9.2%~13.0%;节点的位移延性系数约为2.33~2.38,黏滞阻尼系数约为0.264~0.267。此外,2个节点的承载能力基本相当,格构式宽肢组合异形柱节点的抗震性能指标相对实腹式宽肢组合异形柱节点较好;但与传统翼缘加强型节点相比,其延性和耗能能力略有降低。     

部分包裹混凝土柱-型钢梁顶底角钢连接框架抗震性能研究

为研究部分包裹混凝土柱-型钢梁顶底角钢连接三维框架的抗震性能,对框架试件进行低周反复水平荷载试验,研究此类框架的破坏模式和承载力、滞回性能、延性等一系列抗震性能指标。研究结果表明:框架梁端屈曲明显,靠近角钢肢处出现塑性铰,顶底角钢变形严重;滞回曲线比较饱满,在各级循环荷载作用下承载力降低系数在0.95~0.99之间,框架强度退化稳定。节点位移延性系数在2.01~2.85之间,等效黏滞阻尼系数在0.35~0.46之间,满足抗震设计要求,框架具有良好的延性和耗能能力。顶底角钢连接节点的初始转动刚度在半刚性节点范围内,是延性较好的节点。     

钢管混凝土柱-钢梁单边高强螺栓端板连接框架的拟静力试验研究

为获悉半刚性钢管混凝土框架结构在地震作用下的抗震性能和破坏机理,进行2榀两层单跨钢管混凝土柱与钢梁单边高强螺栓端板连接框架试件的拟静力试验,包括1个圆形和1个方形钢管混凝土框架。研究柱截面类型和端板类型对框架破坏形式和抗震性能的影响。详细地观察了框架在低周反复荷载作用下的受力全过程和破坏特征,分析此类结构的滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、耗能能力等抗震性能指标,并结合现有规范评价结构的延性。试验结果表明,此类半刚性连接钢管混凝土框架结构具有良好的滞回性能和耗能能力,其延性系数μ=2.41-3.75,能量耗散系数E=0.823-0.955|在柱截面含钢率相同条件下,方钢管混凝土框架试件的极限承载力和耗能能量均高于圆钢管混凝土框架试件|梁柱节点采用单边高强螺栓端板连接具有典型的半刚性特征,连接可靠和耗能效果好。研究成果将为我国装配式组合结构设计理论与应用提供科学依据。