带自复位耗能连梁的剪力墙结构的抗震性能

为了减小强地震作用下钢筋混凝土联肢剪力墙的连梁结构损伤,实现震后结构功能的快速恢复,提出了一种兼具自复位和耗能功能的新型自复位耗能连梁.新型自复位耗能连梁在跨中安装了由形状记忆合金绞线和粘弹性耗能单元并联而成的新型复合自复位阻尼器.以一榀10层双肢剪力墙结构为例,对连梁跨中分别安装该新型自复位阻尼器的联肢剪力墙、粘弹性...     

自复位混凝土剪力墙抗震性能研究进展与展望

强震后工程结构功能快速恢复,是近年来可持续发展工程抗震的重要研究领域.由于通过释放墙片节点约束并沿墙高通长布置并后张无黏结预应力筋实现摇摆回复及倾覆控制,地震动下摇摆和界面张合效应可使自复位混凝土剪力墙表现为无震损或低震损及小残余变形,甚至无残余变形.作为可恢复功能结构体系重要组成部分的自复位混凝土剪力墙结构、技术、理论与设计方法正持续发展.在结构体系上,包括受控摇摆单肢墙、混合摇摆单肢墙、竖向连接耗能联肢墙以及连梁耗能联肢墙结构4种自复位剪力墙,均具备明确的自复位能力,但耗能钢筋/部件组装程度导致了不同结构体系的耗能能力差异明显;在设计方法上,传统的基于力的抗震设计方法难以直接应用,应确定相关性态极限状态和控制点并完善残余变形验算,提出基于位移性态的自复位剪力墙抗震设计方法;非线性分析方法上,纤维模型、集中塑性模型、多弹簧模型以及实体有限元模型等均可较精确地进行自复位剪力墙结构的模拟分析,但仍需有针对性考虑相关参数敏感程度.进而,提出开展预应力筋弹性和非弹性受力行为及其摇摆转动中的变形能力与损失,楼屋盖等水平连接对自复位能力和震损影响,强震下预应力筋和耗能元件失效下自复位剪力墙倾覆,多墙片拼装竖向多节点摇摆的自复位剪力墙高阶振型效应与残余变形预测等四方面研究,为自复位混凝土剪力墙结构体系研发与应用提供理论和技术支撑.     

基于IDA的自复位预制剪力墙抗倒塌能力分析

自复位预制混凝土剪力墙通过预应力筋将分段预制墙片沿竖向拼接形成整体,同时在墙底部设置普通钢筋以增加耗能能力。前期的试验研究和数值模拟结果表明,自复位预制混凝土剪力墙具有损伤破坏程度轻、震后残余变形小的特点,是具有震后可恢复功能的抗震结构体系。为进一步研究该类体系在强地震动输入下的性能,特别是抗倒塌性能,设计了4层和6层原型结构,分别采用自复位预制混凝土剪力墙和传统钢筋混凝土剪力墙作为主要抗侧力构件。通过前期试验结果,建立了可靠的数值分析模型,用于后续倒塌分析。采用44条地震动输入对各原型结构进行非线性增量动力时程分析,并建立各自的倒塌易损性曲线,在此基础上采用FEMA P695标准评估和比较各原型结构的抗倒塌能力。分析结果表明,由于耗能能力略小的原因,自复位预制混凝土剪力墙在罕遇地震作用下的水平位移比传统现浇剪力墙稍大,但其在强震作用后的残余变形则明显小于普通钢筋混凝土剪力墙,即具备良好的震后自复位性能。倒塌易损性曲线的对比表明自复位预制剪力墙的变形能力显著优于普通剪力墙,因此震后损伤破坏程度轻。采用FEMA P695标准的方法对各原型结构抗倒塌能力评估结果表明,作者设计的4层和6层自复位预制剪力墙具有与普通现浇剪力墙接近的抗倒塌能力和地震安全冗余度,满足FEMA P695对结构抗倒塌安全性的要求。     

自复位钢筋混凝土框架结构及其拟静力试验（特约稿）

自复位钢筋混凝土框架结构是一种新型可恢复功能结构。相比于普通混凝土框架，该结构在地震作用下结构损伤轻微残余变形小，在地震后不需修复或稍加修复即可重新投入使用。因此，该结构是一种适用于高烈度地震频发地区中低层框架的低成本新型防震结构。自复位混凝土框架结构体系使用无粘结预应力筋连接结构中的各个构件，在结构的节点位置形成可以互相分离的界面。在较大的地震作用下，构件间允许发生界面分离，表现为梁端节点张开与柱脚节点提离等现象，从而减轻了结构的损伤。震后在预应力的作用下，构件间的界面重新闭合，实现自复位。首先总结了已有自复位节点的研究成果，阐明了自复位结构的组成与关键构造。为了进一步研究自复位钢筋混凝土框架在地震作用下的变形模式与受力特征，进行了三向自复位框架结构的1∶2.5缩尺模型拟静力试验。本文给出了试验模型的基本信息，包括模型的设计参数，材料性能，具体构造等内容；给出了主要的静力试验结果，包括试验的主要现象与损伤特征、模型的变形模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化与残余变形等信息。试验结果表明：模型的变形能力强，在1/38顶层位移比（顶层位移/结构高度）下模型除少数细微裂缝外没有损伤，在更大的变形下模型损伤逐渐在梁端节点位置开展；在1/19顶层位移比下模型的承载力仍然没有出现下降；模型的残余变形很小，在模型加载的全过程中，其残余位移角都处在可以接受的范围内。     

新型自复位钢桁架梁的受力机理及抗震性能

将预应力钢绞线与消能杆引入钢桁架梁,利用消能杆、预应力钢绞线分别来消耗构件的变形能、实现结构的自复位功能,从而有效减轻结构震后残余变形。理论推导了自复位钢桁架梁端截面对应于其恢复力骨架曲线关键特征点处的弯矩和刚度值;采用有限元分析软件OpenSees建立了钢桁架梁的分析模型,进行了单向和往复水平荷载下非线性分析。结果表明：对应关键点处的梁端弯矩和刚度的模拟值与理论值吻合较好,往复荷载作用下分析结果验证了该类钢桁架梁具有很好的自复位和耗能性能。     

近场脉冲型地震动横向激励下附加SCEB双柱式桥墩结构易损性分析

为了研究桥墩结构的震后功能可恢复性,针对附加自复位耗能支撑(self-centering energy dissipation braces, SCEB)双柱式桥墩结构进行基于增量动力分析方法的地震易损性分析,采用最大侧移率和残余侧移率作为性能指标,系统探讨其在近场脉冲型地震动作用下的失效概率.为了对比分析,同时选取60条远场无脉冲型地震动记录对附加SCEB桥墩结构进行了易损性分析.结果表明：在小震作用下,SCEB仅为桥墩结构提供刚度和承载力,在大震作用下还可提供耗能能力,同时可以提供良好的自复位能力;附加SCEB可有效降低桥墩结构在近场脉冲型地震动作用下的失效概率(最大侧移率和残余侧移率),特别是残余侧移率;附加SCEB桥墩结构在近场脉冲型地震动作用下的失效概率大于远场无脉冲型地震动作用下的失效概率.自复位耗能支撑可有效减小桥墩结构的失效概率,提高桥墩结构的抗震性能.     

包含可更换耗能钢板的自复位支撑参数分析

为了提高结构的抗震韧性,减小结构的震后残余变形是一种有效途径.研究了一种包含可更换耗能钢板(energy absorbing steel plate,EASP)的自复位支撑(self-centering brace,SCB),对SCB进行了数值模拟研究,建立有限元模型并进行验证,以此为基础对SCB进行了参数分析,探讨关键参数的改变对SCB滞回性能的影响.结果表明:增大EASP的屈服强度可以提高SCB的承载力,但是增大了残余变形,同时使得SCB在位移较小的情况下难以产生耗能能力;减小钢绞线预应力会导致SCB残余变形增大;缩短钢绞线长度会提高SCB刚度和承载力.为了增强SCB的耗能能力和自复位性能,在实际设计中,建议采用较低屈服强度的EASP,同时在满足SCB变形需求的前提下,对钢绞线施加较大的预应力.     

不同柱脚连接的自复位钢梁框架抗震性能试验

为研究不同柱脚连接形式对带自复位工字钢梁的单层单跨钢框架抗震性能的影响,设计制作了两个柱脚分别为固接和铰接的自复位框架试件,通过低周往复荷载试验,分析了试件的受力发展过程、承载力、滞回特性、延性、耗能能力及自复位能力.研究表明:柱脚固接的自复位钢框架,由于柱脚屈服后所需的恢复力远大于自复位工字钢梁提供的复位拉力,残余变形较大,结构自复位效果较差,因此不建议将其作为此类结构的柱脚连接形式;柱脚铰接的自复位钢框架在试验过程中的受力发展过程与理论分析结果吻合良好,仅耗能元件发生塑性变形,卸载后残余变形较小,具有“可恢复功能结构”的特点;柱脚铰接的自复位钢框架,在4%层间位移角时骨架曲线仍未出现下降段,承载力储备充足,试件的位移延性系数为3.1,等效黏滞阻尼系数为0.19,具有较好的抗震性能.     

带耗能系梁的摇摆自复位双肢薄壁高墩抗震性能研究

探索适用于山区连续刚构桥双肢薄壁高墩的摇摆自复位体系，设计和制作了混凝土双肢薄壁高墩(RCDTP)和带耗能系梁的摇摆自复位双肢薄壁高墩(RSDTP)构件.开展双肢薄壁墩的拟静力试验，研究破坏形态、滞回特性、骨架曲线、耗能能力、延性和残余位移等.与RCDTP墩进行比较，结果表明耗能系梁的设置和摇摆体系的设计能够显著提高墩柱抗震性能、减轻损伤程度. RSDTP墩极限承载力、延性系数、耗能能力分别提高了51.4%、12.31%、42%,RSDTP墩的残余位移降低了24%.预应力钢筋的设置为桥墩提供了自复位能力，有效地控制桥墩的震后残余位移，保障了双肢高墩的震后可恢复性.     

组合碟簧自复位防屈曲支撑滞回性能试验

为控制防屈曲支撑(BRB)的残余变形,采用碟簧自复位系统(DS)和BRB并联形成自复位防屈曲支撑(SBRB)。通过拟静力试验考察组合碟簧刚度、端部连接、复位比率等对SBRB滞回性能的影响。结果表明：与BRB相比,SBRB的残余变形大幅降低;SBRB表现出旗型的滞回曲线,试验后期钢板支撑受拉断裂,其他部件保持完好;SBRB试件中DS部分和BRB部分分别是承载力和累积耗能的主要来源;由于组合碟簧间的摩擦等作用,DS部分的耗能占整个SBRB耗能的23%～36%;其他构造相同时,采用组合碟簧刚度较大的DS部分启动后承载力增幅较多,且DS部分启动力较大的复位比率也较大,残余变形更小。总体上,端部连接形式对残余变形影响不大,刚接SBRB试件因承受额外的端部弯矩,钢板支撑断裂更早,铰接SBRB试件表现出更好的耗能能力。随复位比率增大,SBRB的残余变形逐渐减小,为有效地控制支撑残余变形,同时避免对DS部分要求过高,复位比率宜取0.7～0.9。     

隔震结构震后复位能力研究

隔震技术是在上部结构与下部支承结构或基础之间设置隔震层,通过延长结构周期并增加阻尼的方式,减少地震能量向上部结构传输从而保护上部结构,是高烈度地区减轻地震灾害最有效的方式之一。由于隔震层的刚度较小,隔震结构的变形绝大多数集中在隔震层。在强震或强风作用下,隔震装置虽然能够很好地满足大变形的需求,但是变形结束后,隔震装置在某些地震作用下很难自动复位到初始状态。隔震层明显的残余变形可能会导致主体结构正常使用功能的中断,并且难以保证隔震装置在多次余震或未来地震中继续发挥作用,从而对社会经济的发展带来严重的影响。如何提升隔震支座变形后的复位能力,是隔震结构设计的关键问题之一。本文首先介绍了传统隔震支座在地震与强风作用下复位能力不足的表现,总结了当前设计规范中对隔震支座复位能力的规定,阐述了提升隔震支座变形后复位能力的方法。基于此,以超弹性形状记忆合金（SMA）良好的变形自恢复能力为基础,结合铅芯橡胶隔震支座（LRB）,提出了新型自复位隔震支座（SMA-LRB）。通过压剪往复加载试验,对比了传统LRB与SMA-LRB的力学行为。对基于不同规范限值的LRB以及SMA-LRB的单自由度体系进行非线性时程分析。结果表明,在满足规范设计的情况下,LRB隔震体系在震后仍可能出现较大的残余变形,而SMA-LRB隔震体系则表现出良好的震后复位能力。     

自复位防屈曲支撑钢框架的抗震性能分析

为了消除防屈曲支撑在强震后留有残余变形的弊端,本文针对一种新型支撑构件—自复位防屈曲支撑,通过有限元软件ANSYS对自复位防屈曲支撑钢框架、防屈曲支撑钢框架和钢框架进行罕遇地震作用下的抗震性能对比分析。结果表明,自复位防屈曲支撑钢框架的顶点位移、层间位移角、残余变形等地震响应均明显小于防屈曲支撑钢框架和钢框架,尤其在残余变形方面,自复位防屈曲支撑基本消除了结构的残余变形,具有良好的复位效果。     

带新型可更换墙脚部件剪力墙的抗震性能分析

提出了一种具备自复位能力的可更换墙脚部件，介绍了该部件的构造和受力机理.建立了带有该新型可更换墙脚部件的钢筋混凝土剪力墙的非线性数值计算模型，进行了剪力墙在低周反复加载下的受力性能分析，研究了墙脚部件中碟簧组的刚度和预压力对剪力墙抗震性能的影响.结果表明，带新型可更换墙脚部件的剪力墙具有良好的抗震性能，结构残余变形小，主体结构损伤低，可实现震后使用功能的快速恢复.     

自复位钢筋混凝土框架结构及其拟静力试验

自复位钢筋混凝土框架结构是一种新型可恢复功能结构。相比于普通混凝土框架,该结构在地震作用下结构损伤轻微残余变形小,在地震后不需修复或稍加修复即可重新投入使用。因此,该结构是一种适用于高烈度地震频发地区中低层框架的低成本新型防震结构。自复位混凝土框架结构体系使用无粘结预应力筋连接结构中的各个构件,在结构的节点位置形成可以互相分离的界面。在较大的地震作用下,构件间允许发生界面分离,表现为梁端节点张开与柱脚节点提离等现象,从而减轻了结构的损伤。震后在预应力的作用下,构件间的界面重新闭合,实现自复位。首先总结了已有自复位节点的研究成果,阐明了自复位结构的组成与关键构造。为了进一步研究自复位钢筋混凝土框架在地震作用下的变形模式与受力特征,进行了三向自复位框架结构的1:2.5缩尺模型拟静力试验。本文给出了试验模型的基本信息,包括模型的设计参数,材料性能,具体构造等内容;给出了主要的静力试验结果,包括试验的主要现象与损伤特征、模型的变形模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化与残余变形等信息。试验结果表明:模型的变形能力强,在1/38顶层位移比(顶层位移/结构高度)下模型除少数细微裂缝外没有损伤,在更大的变形下模型损伤逐渐在梁端节点位置开展;在1/19顶层位移比下模型的承载力仍然没有出现下降;模型的残余变形很小,在模型加载的全过程中,其残余位移角都处在可以接受的范围内。     

带防屈曲消能杆的自复位钢柱脚抗震性能试验

提出带防屈曲消能杆的自复位钢柱脚,对其受力机理进行了分析。将自复位参数(β_(sc))和框架柱轴力作为设计变量,设计制作了四组柱脚试件,通过低周往复荷载试验,对比分析了结构的受力发展过程、自复位能力、变形能力和耗能能力。结果表明:柱脚试件的塑性变形集中于消能杆,对损伤的消能杆更换后,柱脚抗震性能得以快速恢复,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,卸载后最大残余层间位移角仅为0.001 rad,具有良好的自复位能力;通过对位移延性系数和等效黏滞阻尼系数的分析,表明自复位柱脚具有良好的变形能力和耗能能力;随着β_(sc)参数增大,柱脚自复位能力提高,承载力和耗能能力降低,而对变形能力影响不大;随着框架柱轴力增大,自复位能力和承载力提高,变形能力降低,而对耗能能力影响不大。     

具自复位摩擦阻尼器的桥梁隔震性能研究

目前桥梁隔震技术的应用越来越广泛,但这一技术不可避免地会引起震后桥梁上下部结构之间残余位移过大的问题。为有效降低上部结构的惯性力传递至桥墩,使其具有良好的隔震能力,同时减小上部结构复位时的阻尼,增强其自复位能力,降低震后桥梁的修复费用,提出由一种新型自复位摩擦阻尼器和聚四氟乙烯滑板支座代替传统的隔震支座。该阻尼器当活塞向远离平衡位置方向移动时,具有较为稳定的摩擦力使其具有较好的耗能能力;当活塞向平衡位置方向移动时,不具有摩擦力,减小了摩擦力对复位力的消耗,提高了其自复位能力。采用柔性拉索将此阻尼器与桥梁的上下部结构相连,保证阻尼器只受拉且可实现上部结构相对桥墩的往复运动,形成自复位隔震桥梁体系。为验证该隔震桥梁体系的效果,利用OpenSees建立一座4跨连续梁桥模型,分别配置非隔震桥梁支座、铅芯橡胶支座和自复位摩擦阻尼器与聚四氟乙烯滑板支座联合工作的隔震体系,在横桥向输入地震动记录进行时程分析,考察3种桥梁结构的墩顶位移、墩梁相对位移和桥墩内力。结果表明：在相同地震作用下,自复位隔震桥梁体系相对于非隔震桥梁墩顶位移降低为原来的1/8,墩底剪力和墩底弯矩降为原来的约1/3;与配置铅芯橡胶支座的隔震桥梁体系相比,自复位隔震桥梁体系基本没有墩梁相对残余位移。以上说明提出的自复位摩擦阻尼器及具自复位摩擦阻尼器的桥梁隔震体系有较好的隔震和自复位能力。     

利用蝴蝶形钢板剪力墙耗能的自复位结构体系研究

应用ANSYS软件对利用蝴蝶形钢板剪力墙耗能的自复位结构体系进行了有限元模拟,主要研究了钢绞线预拉力值、蝴蝶板厚度、蝴蝶板中开缝区短柱高厚比L／t、蝴蝶板中开缝区短柱宽厚比撕等参数对结构自复位能力、承载力、抗侧刚度、耗能能力以及延性性能的影响。分析结果表明,通过合理的参数设计,利用蝴蝶形钢板剪力墙耗能的自复位结构体系能够把塑性变形集中在蝴蝶板中,使框架梁柱处于弹性状态,在地震作用后没有残余变形,能够方便快速地修复;并且拥有较高的抗侧刚度、承载力,较强的耗能能力和较好的延性性能。钢绞线初始预拉力值对结构复位能力影响较大,蝴蝶板厚度以及蝴蝶短柱高厚比、宽厚比对结构抗侧刚度、承载力、耗能能力以及延性影响较大。     

利用钢板剪力墙耗能的自复位结构有限元模拟

为了解利用钢板剪力墙耗能的自复位结构体系的抗震性能,采用ANSYS软件对结构在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了模拟,并与试验数据进行对比,分析了滞回曲线、残余变形、内填薄钢板的应力等指标。此后设计PTA系列模型,研究钢绞线截面面积对结构的影响。结果表明,有限元模拟与试验结果基本吻合,模拟试件到达倒塌位移时的残余变形与试验结果相差0.03%;内填板先于框架进入塑性,起到足够的耗能作用;当结构到达倒塌位移时,梁柱还未失效,梁柱节点处有很微小的面积进入塑性;钢绞线截面面积的增大,对结构的延性和复位能力的增强是有利的。     

设有形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析

为了使隔震结构体系能够同时获得良好的隔震特性及震后自复位能力，利用形状记忆合金(SMA)材料的相变伪弹性性能，研制了一种SMA自复位隔震阻尼器，并将其与叠层橡胶垫联合应用，提出了一种新的自复位隔震装置．为了验证这种新型隔震装置的有效性，文中根据SMA材料的热力学本构关系，建立了有关热力学非线性方程的求解方法，并通过对这种隔震装置力学特性的深入研究，提出了相应的力学分析和计算模型，同时依据剪切型层模型理论．编制了这类隔震结构的弹塑性时程分析程序，进行了一些工程实例的计算分析．研究结果表明，这种隔震装置不仅可以大大减轻地震对上部结构的影响，而且还具有很好的震后自复位能力，为进一步研究自复位隔震装置的特性及层间隔震技术奠定了理论基础．     

摩擦部分自复位连接组合框架层间抗震修复性试验研究

为研究摩擦部分自复位连接组合框架中间层的抗震修复性,设计1榀1∶2缩尺比例PEC柱-钢梁摩擦部分自复位组合框架中间层子结构试件进行修复前后的两次抗震试验。根据试验现象和实测数据,对试件滞回性能、水平抗侧刚度退化规律、自复位功效、耗能能力等抗震性能进行了对比分析。分析结果显示：摩擦部分自复位连接可通过摩擦T形件螺栓长圆孔合理设置以实现“设计地震水平下发挥自复位连接性能和大震设计水平转化为承压型”传力模式,进而发挥主体构件材料耗能自复位性能设计理念;摩擦耗能T形件对穿螺栓和预拉杆将梁端受拉侧拉力转为对节点区混凝土的压力,实现了节点区混凝土压力带传力,且节点区加强盖板设置使得节点区混凝土处于三向受压状态,提高了混凝土强度,更好满足了“强节点”的抗震要求;在设计地震水平下,修复前后试件层间残余侧移最大值分别为0.11%和0.13%,满足了自复位结构侧移限值0.3%要求,基本实现完全复位,而在罕遇地震水平下,修复前后试件承载力均呈增长趋势,且其层间残余侧移最大值分别为0.42%和0.44%,仍小于小震层间侧移限值0.5%,试件仍具有良好的自复位功效;摩擦部分自复位连接仅通过简单修复,即可实现受力发展进程、刚度退化规律、自复位功效和损伤耗能演化机理的基本恢复,具有良好的抗震可修复性。