反复荷载下型钢混凝土异形柱空间角节点的破坏机理及损伤分析

为了研究反复荷载作用下型钢混凝土(SRC)异形柱空间角节点的破坏机理及其损伤演变过程,设计9个试件进行低周反复荷载试验,考虑了柱截面配钢形式、轴压比、加载角度和梁的形式4个变化参数。观察其裂缝发展形态,揭示其破坏机理,获取了荷载-应变滞回曲线、节点核心区剪切变形和梁截面平均曲率。基于能量守恒定律,分析了反复荷载下试件的损伤规律,并分析了各变化参数对其累积损伤的影响。研究结果表明:反复荷载作用下SRC异形柱空间角节点发生的是弯曲、剪切斜压破坏为主、扭转伴随粘结破坏为辅的破坏形态。破坏时节点核心区钢材大部分已屈服,并且型钢应变、核心区剪切角、梁截面平均曲率均随柱肢角度的增加而减小。破坏时试件的累积损伤指标介于0.69~0.84,槽钢桁架试件各级位移下的累积损伤最大;45°加载实腹配钢试件较30°加载实腹配钢试件损伤更加严重;与45°加载试件相比,0°加载试件各级位移下累积损伤程度最高增加30%;轴压比对试件的损伤影响不大;与带钢梁试件相比,带型钢混凝土梁试件累积损伤有较大程度的缓解。     

型钢混凝土L形柱空间角节点抗震性能分析

为研究型钢混凝土L形柱空间角节点的抗震性能,对8个节点试件进行低周反复荷载试验和有限元模拟,二者结果吻合较好。基于此考虑了柱配钢形式、轴压比和加载角度3个变化参数,通过ABAQUS非线性有限元模拟,分析了变化参数对其峰值荷载、耗能和延性的影响规律,并提出可供工程设计参考的建议。研究结果表明,型钢混凝土L形柱空间角节点破坏形态以剪切斜压和弯曲破坏为主,扭转伴随黏结破坏为辅;实腹配钢试件综合抗震性能最好,其峰值荷载较空腹配钢试件提高了10%;随轴压比的增加,不同配钢形式试件的位移延性下降程度不同,实腹配钢试件下降缓慢,建议轴压比限值设计值为0.5;45°加载角度以内,随着加载角度的增加,峰值荷载增加,耗能和延性逐渐降低,45°加载试件与0°平面节点相比,峰值荷载提高了约30%,延性系数降低约10%,最不利加载方向为0°加载。     

锈蚀钢框架柱抗震性能试验研究及有限元分析

为深入研究锈蚀钢框架柱的抗震性能,通过改变加载制度和轴压比,对6榀相同锈蚀程度的钢框架柱进行了低周往复加载试验,观察其受力过程和破坏形态,分析了不同加载制度和轴压比对锈蚀钢框架柱的滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化、耗能能力等抗震性能的影响。并采用通用软件ABAQUS对试验框架柱进行了非线性有限元分析。结果表明:有限元分析结果与试验结果吻合较好,试件均发生延性较好的破坏,其滞回曲线也较为饱满,表现出良好的耗能能力和延性;加载路径对试件的塑性发展与耗能能力有较大影响;随着轴压比的增大,试件极限承载力和耗能能力降低,强度和刚度退化加快。     

内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩抗震性能研究

基于可恢复功能结构设计理念,提出一种新型内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩。开展了6榀门式箱型钢桥墩试件在变轴压和水平往复加载下的拟静力试验,通过分析试件的破坏模式、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、位移延性系数、刚度退化特征、强度退化系数和累积滞回耗能等性能指标,探讨了设置耗能钢板、轴压比和耗能钢板厚度等对新型门式钢桥墩抗震性能的影响规律。建立门式钢桥墩试件的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好。研究表明：设置耗能钢板能够提升门式箱型钢桥墩的延性、变形能力和耗能能力,且能有效延缓壁板的屈曲变形和开裂。新型门式箱型钢桥墩根部壁板螺栓孔附近钢板易因应力集中而开裂,致使试件最大承载力迅速降低。随着轴压比的增大,试件的承载力、耗能能力和震后可恢复性能提高。可更换耗能钢板的厚度越小,试件的承载力越低、刚度退化越快,但其延性和耗能能力得到提升。轴压比和耗能钢板厚度对试件强度退化的影响相对较小。为便于新型门式钢桥墩的推广应用,基于试验研究结果提出内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩的延性评估简化公式和承载力的抗震设计公式。     

配钢率对型钢混凝土异形柱抗震性能的影响分析

设计了16个型钢混凝土异形柱试件，包括L形柱、沿腹板加载的T形柱、沿翼缘加载的T形柱和十形柱各4个，采用试验研究和有限元模拟相结合的方法分析配钢率对试件抗震性能的影响，得到了试件的破坏形态及滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性、刚度、耗能能力等性能指标。结果表明:剪跨比为2.5的试件在低周反复荷载作用下发生弯曲破坏，配钢率对试件破坏形态的影响较小，但配钢率增大能够抑制混凝土裂缝的开展，延缓试件的破坏；试件的滞回曲线饱满、对称，延性好，耗能能力强，刚度退化先快后慢；随着配钢率增大，试件的滞回环面积越来越大，承载力显著提高，延性明显改善，刚度退化变缓，但耗能能力变化较小。     

火灾后型钢混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

通过4个火灾后型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点试件及2个常温未受火对比试件的低周反复加载试验,研究火灾后该类节点的滞回特性、延性、耗能性能、承载力与刚度退化规律,分析了受火时间、轴压比对火灾后该类节点的抗震性能的影响。结果表明:火灾后试件与常温未受火试件的破坏过程和破坏形态基本一致。经历火灾损伤后,型钢混凝土梁柱节点的滞回曲线仍然饱满,但试件承载力降低、变形增大、延性减弱,受火时间越长,承载力下降程度越高、变形增加程度越大、延性系数越小。反复荷载下型钢混凝土梁柱节点的强度出现衰减,加载初期的衰减系数随位移的增大而减小,加载后期的衰减系数随位移的增大总体保持稳定,体现出良好的抗荷载循环能力。与常温未受火试件相比,高温后试件加载初期的刚度降低、等效阻尼比增大,受火时间越长,刚度降低和等效阻尼比增大的程度越高。随着加载的进程,高温后试件的刚度与常温未受火时间刚度逐渐趋向一致,但等效阻尼比相比常温未受火试件减小,受火时间越长,减小程度越高。轴压比对火灾后节点的抗震性能产生一定影响,随着轴压比的增大,试件强度和刚度有所提高,但延性下降。     

实腹式型钢混凝土T形柱抗震性能试验研究

为研究实腹式型钢混凝土T形柱的抗震性能,进行了10个试件的水平加载试验,考虑了加载制度、轴压比和配钢率的影响,观察了试件的受力过程和破坏形态,分析了荷载-位移曲线、侧移角、延性、强度、刚度及耗能等力学性能。结果表明,试件均发生弯曲破坏,但不同加载制度下试件的破坏形态不同;试件的滞回曲线饱满,极限侧移角介于1/36~1/9,位移延性系数介于3.97~12.11,破坏时等效粘滞阻尼系数介于0.319~0.374,体现出良好的变形和耗能能力;随着加载循环次数的增多和轴压比的增大,试件的延性降低,强度衰减和刚度退化加快;随着配钢率的增大,试件的延性提高,强度衰减和刚度退化变缓。     

低周反复荷载下型钢再生混凝土短柱抗震性能试验研究

通过8个不同再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率下的型钢再生混凝土短柱的低周反复加载试验,观察其受力过程及破坏形态,分析了不同设计参数对短柱的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度退化、延性及耗能等力学性能的影响。试验结果表明:型钢再生混凝土短柱的主要破坏形态为剪切斜压破坏;试件荷载-位移滞回曲线基本呈梭形;试件达到峰值荷载后,承载力下降较快、变形小、延性较差;再生粗骨料取代率对试件承载力影响不大,延性耗能随着取代率增大而有所减低;随着轴压比的增大,试件承载力提高但延性耗能降低幅度大;随体积配箍率的增大,试件承载力及延性耗能均相应增大。除轴压比较小的短柱外,其余型钢再生混凝土短柱的延性系数均小于3,表明短柱抗震性能较差。因此,在实际工程中应采取相应的措施以改善短柱抗震性能。     

T形配钢型钢混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究

为研究T形配钢型钢混凝土柱-钢梁框架的抗震性能,进行了1榀3层2跨、缩尺比例为1∶3的框架试件拟静力试验,了解其破坏形态、滞回曲线和骨架曲线,分析了试件的延性、耗能能力、刚度和强度退化规律。基于纤维模型对框架试件进行了数值模拟,研究了结构抗震性能在不同轴压比、配钢率和混凝土强度下的变化规律。结果表明:在水平低周往复荷载作用下,试件出现"梁铰"破坏,具有良好的延性和耗能能力,满足"强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件"的抗震设计要求。轴压比对试件屈服后的性能影响较大,结构的承载力和延性随轴压比增大而有所降低,设计时需合理控制轴压比;配钢率主要影响初始刚度和极限承载力,结构的抗震性能随配钢率增大得到有效改善;结构的极限承载力随着混凝土强度增大而提高,但结构的延性会略有降低,设计时需合理考虑。研究成果可为该类结构的设计提供可靠的支撑。     

钢骨混凝土异形柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为了研究钢骨混凝土异形柱-钢梁节点的抗震性能,进行了4个T形钢骨混凝土柱-钢梁节点和4个L形钢骨混凝土柱-钢梁节点的拟静力试验。试验考虑了混凝土强度等级、核心区配箍率和轴压比等参数的影响,对骨架曲线、承载力、核心区剪切变形、延性和耗能能力等抗震性能指标进行了分析。结果表明,在低周往复荷载作用下,钢骨混凝土异形柱-钢梁框架节点滞回曲线饱满,表现出良好的延性性能和耗能能力,典型破坏形态为节点核心区剪切斜压破坏和节点区焊缝失效破坏;高轴压力下节点具有较高的承载能力但延性性能降低;混凝土强度越高,节点承载能力越大,但延性性能越差;增大核心区配箍率对试件的延性和承载力有明显的提高,并能改善试件屈服后的耗能能力。     

型钢混凝土异形柱框架空间受力性能分析

为研究型钢混凝土异形柱框架的空间受力性能,对一个五层的双向两跨空间框架模型进行了低周反复加载试验,得到了空间框架的破坏形态及滞回曲线和骨架曲线,分析了其延性、位移角、刚度、耗能等抗震性能指标。基于此,采用OpenSees建立了空间框架的有限元模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而对空间框架的破坏机制和协同工作机制进行了探讨,并分析了不同加载角下轴压比和柱肢长宽比对空间框架受力性能的影响。研究结果表明:型钢混凝土异形柱空间框架的梁端先于柱端发生破坏,节点损伤相对轻微,边框架的破坏程度比中框架严重;出铰顺序呈现为从梁端到柱端、从低层到高层、从中榀到边榀的发展规律;空间框架的滞回曲线基本对称且较为饱满,具有较好的延性及较强的耗能能力和抗倒塌能力,受力性能优于没有连接的独立框架;随着加载角的增大,空间框架的承载能力和耗能能力显著提高,初始刚度略微增大,延性先变好后变差;在相同加载角下,随着轴压比增大,空间框架的承载能力、延性和耗能能力均降低,初始刚度先增大后减小;随着柱肢长宽比增大,空间框架的承载能力、初始刚度和耗能能力均提高,延性变差。     

近海大气环境下锈蚀平面钢框架抗震性能试验研究及有限元分析

为研究近海大气环境下锈蚀钢框架结构的抗震性能,采用人工气候加速腐蚀技术对42件钢材材性试件和4榀平面钢框架进行加速腐蚀试验,然后对不同锈蚀程度的钢材材性试件进行拉伸破坏试验,获得锈蚀Q235B钢材力学性能指标（屈服强度、极限强度、伸长率和弹性模量）与其失重率的函数关系。并对4榀平面钢框架进行低周往复加载试验,研究了锈蚀对平面钢框架的破坏机制、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性及耗能能力等的影响。结果表明:4榀平面钢框架试件均发生了延性较好的破坏,呈现出混合屈服机制;但随着锈蚀程度的增加,试件承载力、耗能能力显著降低,强度和刚度退化明显,延性变差。在试验研究的基础上,利用通用软件ABAQUS对试验平面钢框架进行了非线性有限元分析,研究了轴压比对其力学性能的影响,结果表明:随着轴压比的增大,试件承载力、延性不断降低。     

600MPa级钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为研究配置600 MPa级钢筋混凝土柱的抗震性能,对5个配置600 MPa级钢筋混凝土柱和1个对比普通钢筋混凝土柱进行低周往复荷载试验;分析了钢筋强度、箍筋间距和轴压比对试件破坏形态、滞回性能、承载力及延性、耗能性能以及刚度与强度退化的影响。研究结果表明:试件仍主要发生弯曲破坏,但600 MPa级纵筋与混凝土间出现了明显的粘结失效,且纵筋容易断裂;提高钢筋强度,试件的承载力和能量耗散均显著增加,但延性和耗能能力有所降低;而增大箍筋间距会明显降低试件延性和耗能能力,加快试件后期的强度衰减,但基本不影响承载力。总体上看,600 MPa级钢筋混凝土柱具有较好的抗震性能,能通过合理的设计将其应用于抗震结构中。     

加载制度对新型型钢混凝土柱的抗震性能影响

采用有限元软件对新型型钢混凝土(SRC)柱抗震性能进行了数值模拟, 通过与试验结果的对比, 验证了模型的正确性。通过大量的数值模拟, 研究了加载路径、循环次数、位移幅值增量及变轴力对新型型钢混凝土柱抗震性能的影响。由于柱内存在双轴耦合作用, 双轴往复荷载作用下较单轴往复荷载作用下柱的抗震性能明显降低, 表明加载路径对柱的抗震性能影响显著;屈服荷载前循环次数对柱骨架曲线的影响很小, 屈服荷载后影响显著, 循环次数越多其峰值荷载及其对应的位移和位移延性越小, 但其耗能越大;双轴往复荷载作用下位移幅值增量对柱抗震性能的影响较单轴往复荷载作用下的显著, 屈服位移、屈服荷载、位移延性系数随位移幅值增量的增大而增大, 但其耗能减小;在变轴力作用下柱表现出明显的不对称性, 且其抗震性能明显较定轴力作用下更为 不利。     

型钢混凝土异形柱基于损伤的恢复力模型研究

根据16个实腹式配钢的型钢混凝土异形柱试件在低周反复荷载作用下的试验结果,进行了构件的滞回性能分析及基于损伤的恢复力模型研究。提出了一种弹性段-强化段为双折线、下降段为指数函数曲线的复合骨架曲线模型,采用理论推导与回归拟合相结合的方法给出了构件对应不同截面形式、轴压比及配钢率的骨架曲线特征值计算方法;考虑二阶矩效应、轴压附加抗侧刚度、强度衰减、包辛格效应及加载历程对构件性能退化的影响,并通过引入基于试验结果拟合的损伤模型,定量描述了构件滞回环卸载刚度退化规律,建立了恢复力模型。研究表明:试件的抗震性能良好,滞回曲线基本呈梭形,采用实腹式配钢的异形柱在各级荷载循环下的滞回环大致汇交于2点;所提出的基于损伤的恢复力模型是经过理论推导并考虑了多种因素的影响,计算结果与试验结果拟合度较好,可为该类型结构进行高效非线性地震反应分析提供依据。