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。     

预应力自复位装配式混合框架结构抗震性能试验研究

为了提高传统装配式混凝土结构的抗震能力,结合螺栓连接的施工性能、后张预应力筋的复位性能和腹板摩擦装置的耗能性能优势,提出一种预应力自复位装配式混合(SPH）框架结构。SPH框架结构由预应力钢筋混凝土柱和预制预应力钢-混凝土混合梁通过高强螺栓拼装而成,主要通过布置在梁与柱内的后张无黏结预应力筋提供复位力,通过混合梁内的摩擦装置与钢梁段的塑性变形进行耗能。完成了1榀无预应力装配式混合(NPH）框架及2榀SPH框架的低周往复加载试验,分别考虑了预制梁、柱内预应力筋初始预应力、摩擦装置处高强螺栓初始预紧力及柱脚构造措施对该类结构承载能力、复位性能及耗能能力等抗震性能的影响。研究结果表明：采用千斤顶非接触锚具的后张预应力筋方法行之有效;SPH框架相较于NPH框架表现出更好的承载性能、复位效果、变形及耗能能力;SPH框架表现出明显的两阶段特征,即在位移角2.0%以前,结构整体表现为“强复位、低耗能”特点,可以有效控制残余变形,相对自复位率保持在85%左右,在位移角2.0%以后,结构整体表现为“弱复位、强耗能”特点;整个试验过程中SPH框架主体构件损伤不明显,基本实现震后可恢复功能。     

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。     

可更换加劲肋角钢自复位柱脚抗震性能试验研究

为了解决震后受损柱脚残余变形大、可恢复性能差的问题,提出了一种采用可更换加劲肋角钢的自复位柱脚,该柱脚由钢柱、钢连接件、腹板摩擦装置、可更换加劲肋角钢和无黏结钢绞线拼装而成,并由钢绞线提供复位力,通过腹板摩擦装置与加劲肋角钢塑性变形进行耗能.完成了6组共10个自复位柱脚的低周反复加载拟静力试验,对破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、耗能、承载力与刚度退化以及残余变形与自复位能力的研究,并结合实测应变结果分析轴压比、可更换加劲肋角钢厚度、震后是否更换受损加劲肋角钢对柱脚抗震性能的影响.研究结果表明:该种柱脚的抗震性能优异,且在较大轴压比下表现出更高的承载力和耗能能力,但较大的竖向荷载会加剧残余变形与预应力的损失,导致柱脚的复位能力变差;增加可更换加劲肋角钢的厚度可增加柱脚的初期刚度和承载力;柱脚在震后不更换受损加劲肋角钢的情况下仍具有良好的承载力,可抵抗较大等级的余震作用;柱脚在震后更换受损加劲肋角钢的情况下,整体抗震性能基本可恢复至震前水平.该可更换加劲肋角钢的自复位柱脚经合理设计与控制,可以很好地实现\"小震弹性,中震复位,大震更换\"设计目标,为抗震设计提供参考.     

全装配式自复位耗能钢筋混凝土框架梁柱节点抗震性能研究

为研究全装配式自复位耗能钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震性能,针对该类梁柱节点开展拟静力试验.该节点采用钢套加固节点核心区梁柱构件,利用在梁截面中心后穿的无黏结预应力钢绞线提供自复位能力,节点区设置可更换低屈服点钢棒提供耗能性能.试验中共制作了 5个比例3/5缩尺梁柱节点,研究了该类型梁柱节点在低周往复荷载作用下的滞回性能...     

设置开槽耗能板的装配式自复位方钢管混凝土框架抗震性能试验研究

为降低自复位结构滞回耗能对复位的影响,提出一种设置开槽耗能板的装配式自复位方钢管混凝土框架,框架的梁内预应力筋各跨独立布置,可实现工厂张拉的装配化施工。考虑不同厚度的耗能钢板与加载历程,设计4榀1/2缩尺单跨两层框架,对其开展拟静力试验研究,推导考虑框架扩展效应时梁的内力计算式。结果表明：框架滞回曲线呈典型的“双旗帜”形,加载至层间位移角2.0%时,各框架残余变形均接近0.20%;结构损伤集中于可更换的耗能板,主体构件完好;在层间位移角2.0%时卸载更换同类型耗能板,框架的受力性能基本不变,表现出良好的损伤控制机制和可恢复特性;在保证耗能板耗能段总面积不变的前提下,减小单根板条宽度有利于实现框架的复位性能目标,且框架承载力基本不变;框架扩展效应导致两侧柱底剪力分配不均,梁因柱的约束作用附加额外轴力;理论计算的梁轴力与预应力筋内力及试验结果误差在10%以内,可作为结构分析与设计的依据。     

装配式自复位钢柱脚力学性能试验研究

设计加工了一个缩尺约为1/3的柱脚试件,将其所受竖向轴力和碟形弹簧的预压力作为试验变量,进行低周往复荷载试验,对比分析了结构受力的发展过程、自复位能力、变形能力和柱脚因本身自有的摩擦而具有的耗能能力。试验结果表明：此装配式自复位钢柱脚消除了传统柱脚的塑性铰问题,在受到外力作用时能有效减小建筑所遭遇的破坏,实现了预期的设计意图;试件的荷载-位移滞回曲线为典型的双旗帜形,卸载后的最大残余变形仅为0.202%,具有良好的自复位性能。     

装配U形阻尼器的SMA自复位钢框架梁柱节点抗震性能研究

为解决传统SMA螺杆自复位钢框架梁柱节点在工作过程中SMA材料利用率低的问题,简化节点耗能构件的设计、施工和震后更换,提高灾后结构的快速恢复能力,提出了由超弹性SMA螺杆贯穿钢柱翼缘连接且装配U形阻尼器的自复位钢框架梁柱节点,并对关键构件的受力性能进行分析,给出节点的受力变形理论模型.通过循环拉伸试验考察了 SMA棒材的超弹性特性,以此为基础,设计了 1个足尺边柱节点试件,通过拟静力试验研究其承载力、初始转动刚度、残余变形、滞回耗能等.研究结果表明:节点中SMA螺杆可以有效拉伸变形并提供自复位驱动力,U形阻尼器的两肢能够产生相对位移从而进行塑性耗能,钢梁腹板处的抗剪螺栓可在连接槽钢的长圆孔中滑动,梁柱节点核心区未出现剪切变形;在设计层间位移角为0.04 rad的循环结束时,节点残余变形仅为0.004 9 rad,且梁柱构件在试验过程中未出现屈服,节点具有良好的自复位能力和可修复性;节点的初始转动刚度和极限弯矩均小于普通抗弯钢框架梁柱节点,但其拥有良好的转动能力,最大层间位移角为0.05 rad,满足节点的变形设计要求.     

外设自复位构件加固钢筋混凝土框架抗震性能试验研究

针对某既有钢筋混凝土框架结构抗震加固改造项目中存在的问题,提出了采用外设装配式自复位构件对钢筋混凝土框架进行抗震加固的方法,即对既有框架梁、柱采用增大截面法加固,沿框架梁并排安装预制梁构件,预制梁内通长设置无黏结预应力筋并锚固于框架柱外侧,预制梁与框架柱之间设置耗能钢筋,使被加固框架在给定的性能设计目标下获得一定的自复位能力。为验证该方法的加固效果,设计并制作了3榀平面框架结构试件,对其进行了拟静力试验研究,其中1榀为未加固的对比试件,2榀为采用外设装配式自复位构件加固的框架试件。试验结果表明：外设装配式自复位构件加固法可以显著提高钢筋混凝土框架结构的抗震承载力和延性,耗能能力显著增强,同时,在一定层间位移角范围内,加固框架的残余变形明显小于未加固框架,震后自主复位能力显著增强。对试验进行了精细化有限元仿真分析,有限元分析结果与试验结果符合较好。该加固方法可与性能化抗震加固设计相结合,以实现基于位移的性能化加固设计需求。     

装配式预应力短索自复位钢框架数值模拟

在已经完成的预应力短索自复位钢框架节点试验和数值模拟的基础上,采用ABAQUS有限元分析软件将装配式预应力短索自复位钢框架和普通自复位钢框架、刚接钢框架进行静力往复加载和动力时程的数值模拟结果进行对比分析,结果表明:两种自复位钢框架较刚接框架而言可有效减少结构损伤,且残余力较小,具有良好的自动复位和恢复结构功能的能力;装配式预应力短索自复位钢框架可以避免高空张拉钢绞线,减小了张拉难度,保证了张拉质量,具有更广阔的应用前景。     

有限长度预拉杆部分自复位PEC柱组合框架中间层抗震性能试验研究

为研究部分包裹混凝土（partial encased concrete,PEC)柱-钢梁有限长度预拉杆部分自复位连接组合框架中间层抗震机理,考虑耗能件形式和PEC柱布置方式,设计制作了3榀1∶2缩尺比例组合框架中间层子结构试件并进行水平低周往复荷载试验。基于试验结果,对试件的滞回特征、自复位功效、耗能能力进行了对比分析。研究表明：T形件螺栓孔的合理设置可有效实现“设计地震水平下通过耗能件耗能减震,大震水平下连接转化为承压型受力模式”的设计目标;部分自复位连接预拉杆预应力决定自复位功效,而辅助耗能件仅影响其耗能发展进程; PEC柱布置方式对部分自复位功效和耗能能力影响较小,验证了卷边PEC柱较好地改善了双向刚度的差异;T形件对穿螺栓与预拉杆传力方式促使节点区混凝土更好地形成斜压带传力模式和节点加强板增强了节点区混凝土约束的双重作用使得节点区较好地达到了“强节点”抗震要求;所有试件加载至设计地震水平下层间侧移限值1/50时,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.21%和0.11%,基本满足了自复位结构残余侧移0.2%的要求,而加载超过大震水平下层间侧移限值的1/30时,所有试件承载能力仍继续增大,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.86%和0.42%,即所有试件层间仍具有良好的自复位功效。     

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。     

震后可恢复功能摇摆柱抗震性能试验研究

为实现地震后结构性能快速恢复,针对设置开缝钢板阻尼器的震后可恢复功能摇摆(ERR)柱技术,采用增加螺栓数量以减小连接板与钢板阻尼器端部局部滑移的方法对该技术予以改进.为进一步研究改进后ERR柱的受力特性及性能可恢复性,完成了 8个足尺试件的低周往复加载试验,主要研究轴压比、钢板阻尼板厚度和阻尼器数量等对试件抗震性能的影...     

部分预制装配型钢混凝土柱抗震性能试验研究

为充分发挥型钢混凝土结构受力性能及预制装配结构施工性能方面的优势，提出了部分预制装配型钢混凝土实心柱(PPSRC柱)和空心柱(HPSRC柱)，结合2个系列10个柱试件的拟静力试验，对两种柱的抗震性能进行了研究。通过对试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力及变形能力、承载力及刚度退化的研究，并结合各试件的实测应变结果，对柱截面形式、轴压力、配箍率和现浇混凝土强度对PPSRC柱和HPSRC柱抗震性能的影响进行了分析。研究结果表明：PPSRC柱试件的最终破坏形态分为弯曲破坏与弯剪破坏，HPSRC柱试件均发生弯剪破坏，所提出的高强高性能预制混凝土外壳能够很好地与型钢及现浇混凝土协同工作，主要受力方向型钢与外部混凝土之间未发现明显的黏结裂缝；由于内部混凝土的存在，PPSRC柱相比于HPSRC柱拥有更好的耗能及变形能力；轴压力较低、配箍率较大的试件表现出更好的耗能能力及变形能力。通过对两种柱试件的受弯承载力分析可知，中低轴压比的PPSRC柱与HPSRC柱拥有相近的受弯承载力，在同一结构中HPSRC柱可与PPSRC柱沿竖向混合使用，以有效避免柱变截面处的刚度及承载力突变带来的影响。     

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。     

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。     

实腹式型钢混凝土十字形截面柱抗震性能拟静力及混合试验研究

为研究实腹式型钢混凝土十字形截面柱的抗震性能,以1榀3层2跨异形柱中框架为原型,通过拟静力试验预先获得不同轴压比下对比柱的基本受力性能。构建了OpenSees-OpenFresco-MTS抗震混合试验系统,取底层十字形截面中柱作为试验单元,并利用四连杆设备进行加载,其余部分作为计算单元,基于OpenSees软件进行模拟,将模拟结果作为目标位移进行加载,观察各试件的受力过程及破坏特征,获得了试件的滞回曲线和骨架曲线,对比分析了承载力、延性、耗能及刚度退化等。研究结果表明：随着轴压比的增大,各试件的力学特征值均降低,但弹性刚度不变;与拟静力试验中各对比试件相比,地震作用的随机性对混合试验中各构件的抗震性能影响较大,导致其某一方向承载力和刚度大大降低;历经混合试验的震后损伤试件仍然具有对比试件75%的承载能力。     

高温后型钢混凝土柱抗震性能试验研究

为评估火灾后型钢混凝土柱的抗震能力,为其火灾后加固提供参考,进行了11个型钢混凝土柱试件的高温后抗震性能试验。试件在升降温过程中施加恒定轴向荷载,并且在高温后抗震试验中保持相同的轴向荷载水平。试验中考虑轴压比和受火时间对抗震性能的影响,以获取并分析试件的破坏特征、荷载-位移滞回曲线、刚度、延性和耗能能力。试验结果表明：型钢混凝土柱试件在反复荷载作用下由柱底混凝土剥落形成塑性铰,塑性铰长度为0.14H~0.44H(H为柱截面高度);试件在反复荷载作用下出现贯通全柱的黏结滑移裂缝,滞回曲线大致呈梭形,耗能能力较好;较之未受火试件,受火后试件滞回曲线更为饱满,骨架曲线更为平缓,位移延性系数略有增大,刚度和承载力退化明显,耗能能力略有降低。受火时间相同时,轴压比大的试件极限荷载略高,极限位移较小,延性差,耗能能力更强;轴压比相同时,受火时间越长,承载力和刚度下降越明显,延性略有提高,耗能能力变差。     

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。