形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究EI北大核心CSCD

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。     

拔榫状态下直榫节点滞回性能有限元分析

榫头部分拔出是现存古建筑木结构榫卯节点的典型残损类型之一,对榫卯节点的滞回性能及整体结构的抗震性能有很大影响。以易于发生拔榫的直榫节点为研究对象,通过分析其在拔榫状态和未拔榫状态下的荷载传递机制,发现两者的受力机理相同。基于此建立了未拔榫状态下直榫节点的有限元分析模型,其弯矩-转角滞回性能模拟结果与已有试验结果的对比分析表明,所建有限元模型可行。在此基础上,通过定义拔榫程度为0、1/10、2/10和3/10,分析了拔榫量对直榫节点滞回性能的影响规律。结果表明:随着榫头拔出量的增大,节点的承载能力降低,变形能力变弱,抗震性能也有着不同程度的退化。所建有限元模型及其分析结果能够为拔榫状态下单向直榫节点的抗震分析及其震后修复加固提供有利参考。     

箱形柱芯筒式双法兰刚性连接节点平面框架拟静力试验研究

提出一种箱形柱芯筒式双法兰刚性连接节点平面纯框架及减震框架,设计了两榀5层原型结构,对两榀原型结构试验子结构进行0.7倍缩尺,完成拟动力试验之后继续进行拟静力试验,该文对拟静力试验中两榀框架的滞回性能、各典型部位应变变化、刚度退化及耗能能力等进行对比研究。试验结果表明,当层间位移角为0.005 rad(1/200)时,纯框架和减震框架整体均保持弹性状态,中间柱型摩擦阻尼器开始摩擦耗能,占结构总耗能的71.3%;当层间位移角为钢结构弹塑性位移角限值0.02 rad(1/50)时,两榀试验结构滞回曲线均呈双线性,节点域均无塑性产生,减震框架柱脚塑性发展较纯框架更小;当层间位移角为0.04 rad(1/25)时,滞回曲线均更为饱满,节点域仍无塑性产生,纯框架柱脚屈曲更为明显。拟静力试验中两榀框架连接节点可靠,中间柱型摩擦阻尼器通过摩擦耗能,有效延缓减震框架主体结构塑性发展,减震框架结构刚度、耗能能力、抗震性能优于纯框架。     

新型扭转铅挤压阻尼器设计及其有限元分析

传统铅阻尼器一般利用相对平动位移的变化使得铅发生塑性变形,以此消耗能量.提出一种基于中心轴转动挤压铅耗能的新型铅挤压阻尼器,可直接用于扭转耗能结构体系中(如梁柱间的相对转角等),或通过相关转换结构(如齿轮等)将常规的相对平动位移的耗能机制转换为相对转角位移的耗能模式.基于平面应变假定,以Abaqus平台建立了扭转挤压铅阻尼器的非线性有限元模型,模拟了单轴、双轴扭转铅挤压阻尼器的转动过程,给出了中心转轴的转角-弯矩滞回曲线,其形状接近矩形,具有很好的耗能效果,说明了所构造阻尼器的可行性与有效性;研究了凸缘截面高度对转动弯矩峰值的影响;建立了该类扭转铅挤压阻尼器转动弯矩峰值的抛物线型估算公式.依此构思,亦可构造多轴扭转铅挤压阻尼器.     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角关系理论分析

基于燕尾榫节点受力机理的分析,对燕尾榫节点的转动弯矩进行了理论分析,推导了燕尾榫节点弯矩-转角理论计算公式,并与试验结果进行了对比分析,理论分析结果与试验结果吻合较好;在计算公式的基础上,对燕尾榫节点转动弯矩的影响参数进行了分析,结果表明:在一定范围内,随着摩擦系数的增大,燕尾榫节点的转动弯矩和初始转动刚度也逐渐增大;当摩擦系数超过0.5时,节点的初始转动刚度增加幅度逐渐减小;榫头长度和榫头的“收乍”角度的增大均能够提高燕尾榫节点的转动弯矩以及初始转动刚度;榫头高度的增大能够一定程度地提高燕尾榫节点的转动弯矩,但对节点的初始转动刚度影响不大。所得结果可为古建筑木结构的受力分析提供依据。     

附设粘滞阻尼器的传统风格建筑钢结构双梁-柱节点动力试验研究

将减震技术应用到传统风格建筑钢结构中,在梁-柱节点位置以粘滞阻尼器替代“雀替”。设计了三个传统风格建筑钢结构双梁-柱节点,包括两个附设粘滞阻尼器的节点试件和一个无阻尼器的对比节点试件,模型比例均为1∶2.6。通过周期性动力加载试验研究了滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力以及刚度退化等抗震性能指标。试验结果表明:附设粘滞阻尼器的传统风格建筑钢结构节点试件的滞回曲线更加饱满,耗能能力优于无阻尼器的对比节点试件,峰值荷载相比提高了34%~46%;各节点试件的位移延性系数介于1.79~1.96,表明附设粘滞阻尼器对节点试件位移延性系数的影响较小;有控节点的等效粘滞阻尼系数是无控节点的1.1~1.5倍,说明设置于梁-柱节点处的粘滞阻尼器发挥了良好的抗震性能。     

残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究

残损是现存古建筑木结构的普遍状况,显著地降低了结构的抗震性能。为研究残损对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照宋《营造法式》殿堂三等材的尺寸要求,制作了3个比例为1∶3.2的燕尾榫节点模型,包括1个完好节点、1个模拟榫头真菌腐朽的残损节点和1个模拟榫头虫蛀的残损节点。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻一定深度的孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和耗能性能进行了研究,分析了残损燕尾榫节点抗震性能的退化规律。结果表明:残损燕尾榫节点的破坏形态与完好节点的破坏形态类似,主要表现为榫头和卯口有明显的挤压变形、榫头沿枋纵向部分拔出,枋柱整体完好,但残损节点的榫头拔出更早、拔出量更大,模拟虫蛀节点有榫角被挤碎;残损燕尾榫节点的滞回曲线也有明显的"捏缩"效应,但滞回环饱满度较差;残损节点的转动弯矩、转动刚度均明显低于完好节点,但耗能能力基本不变化;当两种不同残损类型的残损程度相近时,人工模拟真菌腐朽节点的转动弯矩更高、转动刚度更大。     

古建木结构榫卯连接特性的试验研究

通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律。试验得到榫卯连接的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,并拟合出了榫卯节点恢复力模型。将榫卯连接比拟为变刚度杆单元,理论推导了变刚度和相对柔度之间的关系。结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062~23.6054之间变化。研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础。     

带Z字形悬臂梁段拼接的装配式钢框架节点抗震性能试验研究

提出一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点。以滑移耗能的理念设计了基础试件,通过关键参数的变化得到六组试件。对六组试件进行了低周往复荷载作用下的试验研究,对节点的破坏模式和拼接区的滑移情况进行了分析,获得了节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、转动能力以及刚度退化等抗震性能。结果表明:带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点属于半刚性连接节点,节点变形性能良好。节点能有效利用拼接区摩擦面滑移、螺栓和孔壁挤压以及板件屈服实现耗能。适当减少翼缘高强螺栓数目能有效提高节点延性性能和塑性转动能力。翼缘和腹板螺孔开大孔和使用三角形垂直加劲肋对节点的耗能能力和承载能力影响很小。     

附设黏滞阻尼器的传统风格建筑混凝土双枋-柱节点抗震性能分析

将消能减震装置(如黏滞阻尼器)附设在传统风格建筑混凝土双枋-柱节点构件上,形成了一种新型阻尼节点,通过黏滞阻尼器来耗散地震能量以达到减震的目的。为研究该新型阻尼节点的抗震性能,设计了3个试件,包括2个新型阻尼节点试件及1个未安装黏滞阻尼器的对比试件,对其施加正弦波动力循环荷载,观察其受力全过程及破坏特征,分析其破坏模式。在试验基础上,对试件荷载-位移曲线、骨架曲线、承载力及刚度退化、耗能能力、延性性能等抗震性能指标及黏滞阻尼器阻尼力-位移曲线进行研究。试验结果表明:附设黏滞阻尼器的新型阻尼节点抵御外荷载的能力明显高于对比试件,滞回曲线更加饱满,骨架曲线的下降段更为平缓,其耗能能力优于未附设黏滞阻尼器的试件,表明将消能减震装置与传统风格建筑相结合可显著提高其力学性能。     

复合加固方形木柱的抗震性能分析

为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能,提升古建木结构的抗震安全性,提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验,研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响;利用有限元软件OpenSees对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟,通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性;分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明,内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力;外包CFRP布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸,提高方形木柱的延性性能,延缓其刚度退化;复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力,改善其刚度和强度退化,抗震加固效果显著。     

型钢混凝土异形柱-钢梁空间边节点的抗震性能及影响因素分析

为了研究型钢混凝土异形柱-钢梁空间边节点的抗震性能,以配钢形式、加载角度和轴压比为变化参数,通过1个平面节点和9个空间节点的拟静力试验,获取其滞回关系,并在此基础上探讨了该类新型空间节点的抗震行为。研究结果表明:实腹式配钢试件在骨架曲线的上升段为最陡,承载能力最大,刚度退化最轻,但T形钢桁架试件在耗能能力和延性性能上为最优;该类空间节点的抗震性能在不同加载角度下具有一些区别,45°试件的骨架曲线包围了其余加载角度下的骨架曲线,同时该角度的节点抗剪承载力为最大,耗能能力较之0°和60°的更强,但略比30°的低,而位移延性在平面节点上表现为最佳;提高轴压比可增强型钢混凝土异形柱边节点的受剪承载力和耗能能力,同时轴压比的增大对试件的初期刚度较为有利而后期刚度退化较快。     

冷弯型钢组合截面T形节点抗震性能研究

冷弯型钢在低层住宅结构中应用广泛,国内已有相应规范出版,但对冷弯型钢组合截面缺少相关设计规定。该文选择双肢冷弯C型钢背靠背带垫板的截面形式,对其抗弯节点进行抗震性能研究,采用试验与有限元分析相结合的方法,研究了节点板厚度、螺栓间距、C型钢厚度和腹板高度等参数对节点抗震性能的影响,发现该类节点的破坏特征符合抗震设计要求,滞回曲线饱满,承载力退化稳定、初始刚度大、刚度退化较为严重、耗能性能和延性较好。在相关参数中节点板厚度和螺栓间距对节点抗震性能的影响最大。C型钢厚度和腹板高度增加能明显提高节点的极限承载力。螺栓间距的增加会使节点承载力略有提高,但节点的耗能性能变差。     

预应力钢带加固钢筋混凝土框架抗震性能试验研究

预应力钢带加固技术是一种新型加固技术,采用预应力钢带加固技术对钢筋混凝土框架梁端、柱端和节点核心区进行约束加固,可以有效提高钢筋混凝土框架结构抗震性能。对一榀采用预应力钢带加固的1/2比例的单跨三层钢筋混凝土框架试件进行低周反复加载拟静力试验,结合试验研究结果,对预应力钢带加固钢筋混凝土框架试件的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、层间位移角、位移延性系数、耗能性能和刚度退化等抗震性能进行了深入分析。研究结果表明,试件最大层间弹塑性位移角可以达到1/28.8,预应力钢带加固钢筋混凝土结构具有良好的延性和耗能性能,是一种切实可行、效果良好的抗震加固技术。     

多块混凝土板拼装组合钢板剪力墙试验与有限元参数影响研究

对竖向拼装组合钢板剪力墙、横向拼装组合钢板剪力墙及传统组合钢板剪力墙开展拟静力试验,对比分析各试件破坏特征、滞回性能、耗能能力、刚度退化及位移延性,采用ABAQUS软件建立数值模型并针对不同拼缝宽度、螺栓距厚比和混凝土板厚度的竖向拼装组合钢板剪力墙进行了参数影响研究。结果表明:混凝土板分块布置会一定程度地降低其耗能能力和抗侧刚度,但可以减少内藏钢板对边缘框架柱产生附加弯矩的不利影响;竖向拼装组合钢板剪力墙是一种抗震性能更为优越的抗侧力构件,竖向拼装组合钢板剪力墙的耗能能力是横向拼装组合钢板剪力墙的1.3倍,且竖向拼装组合钢板剪力墙刚度退化相对缓慢;为保证组合钢板剪力墙具有较好的抗侧能力,螺栓距厚比为100和125时,其拼缝宽度分别不宜大于48 mm和72 mm;混凝土板约束刚度足够情况下,螺栓距厚比不宜大于125。