短型长度系数对耗能梁抗震性能的影响试验及有限元研究EI北大核心CSCD

与传统框架结构体系相比,带可更换构件的框架结构体系能够实现震后建筑结构功能快速恢复,减少地震作用对建筑结构正常生活和生产的影响。为研究可更换耗能梁的抗震性能,共设计并制作4个试验试件,对其进行低周反复加载,研究其破坏特征、滞回性能、骨架曲线。利用ABAQUS软件建立了可更换耗能梁精细化有限元分析模型,研究短型长度系数对可更换耗能梁抗震性能的影响规律,分析建模方法的可靠性。该研究提出了剪切型可更换耗能梁抗剪承载力的计算公式,可供工程设计参考使用。研究表明:试验中可更换耗能梁发生剪切屈服型与弯剪屈服型两类破坏模式,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、翼缘屈曲和端板焊缝撕裂;试件具有良好的承载力与变形能力,能够实现震后可更换;有限元分析与试验结果吻合良好,建模方法可行。随着试件长度系数的增加,耗能梁的承载力、变形、耗能能力等均减弱,试件翼缘抗剪贡献可达梁段抗剪承载力的10%以上。与Popov等的建议值1.6相比,当耗能梁的长度系数接近1.4时,试件破坏模式由剪切型破坏向弯剪型破坏模式转变。     

端板连接可更换Q235耗能梁段钢框筒子结构滞回性能及其影响因素研究

对2个2/3缩尺的单跨双半层含端板螺栓连接Q235耗能梁段钢框筒子结构试件进行了两阶段低周反复荷载试验,以研究其抗震性能、耗能梁段的可更换性和耗能梁段长度的影响。采用耗能梁段腹板试样的拉压往复试验结果标定了混合强化模型参数,利用子结构试件的试验结果验证了有限元模型的有效性,并研究了耗能梁段长度和腹板面积的影响。研究结果表明:耗能梁段的可更换最大层间位移角分别可达到0.43%、0.39%,耗能梁段的替换可以使结构的性能恢复到初始水平,耗能梁段的超强系数和破坏塑性转角分别大于Popov等建议的1.5和AISC341所给的限值0.08 rad;子结构有良好的延性,耗能梁段长的子结构的延性系数、累积耗能大于耗能梁段短的子结构的相应值;破坏模式为耗能梁段加劲肋倒角处的焊缝裂纹扩展延伸引起的腹板撕裂;建议耗能长度取柱中心距的0.10倍~0.24倍,长度比取0.55~1.32;耗能梁段腹板面积对子结构的承载力、累积耗能影响较大。     

采用单侧角钢的梁柱可更换连接件抗震性能试验研究EI北大核心CSCD

采用单侧角钢的可更换梁柱连接件是指在梁柱连接处设置钢连接件,连接件腹板设置摩擦耗能黄铜片,同时翼缘单侧通过可更换角钢连接,并在连接件及钢梁内部张拉预应力钢绞线。结合2个未设置可更换角钢试件、1个双侧设置可更换角钢试件及5单侧设置可更换角钢试件的低周反复加载拟静力试验,重点对单侧设置角钢的可更换梁柱连接件的破坏形态、承载能力、耗能能力、刚度退化等抗震性能及自复位能力开展了研究。研究结果表明:设置角钢对试件的抗震性能有较大提升,单、双侧设置角钢对连接件抗震性能的影响差距较小,且单侧设置角钢具有避免影响梁上楼板的布置与施工的优势;增厚连接段翼缘对试件抗震性能提升有限,通过在薄翼缘连接件上设置角钢能够达到与厚翼缘连接件相当的效果,其更加经济适用;单侧设置角钢的梁柱连接件震后可方便的更换受损角钢构件从而恢复试件的抗震性能,且震后更换更厚角钢可实现抗震性能的超越。该新型采用单侧角钢的可更换梁柱连接件经合理设计与控制,可以很好地实现“中震复位,大震更换”机制,为抗震设计提供参考。     

钢筋混凝土柱-钢梁盒式节点抗震性能试验研究

为改善钢筋混凝土柱-钢梁(reinforced concrete columns and steel beam,RCS)节点的抗震性能,在柱贯通型RCS节点的基础上,提出了一种盒式RCS节点。通过对4个RCS盒式节点试件的低周往复加载试验,研究了节点的破坏特征、受力特点和抗震性能,分析了节点梁端附加盖板加强、内部腹板间距和厚度对试件破坏模式、滞回耗能特性及变形的影响。结果表明:试件的破坏集中在柱端和梁端,节点区未发生失效,满足"强节点弱构件"的设计要求;试件破坏时,其延性系数均大于3.0,等效黏滞阻尼系数在0.16～0.27的范围内,具有较好的抗震性能;RCS盒式节点的剪力主要由内部腹板承担,而外部侧板主要起箍筋作用并承受部分剪力;加大内部腹板间距会减小对钢梁端板的约束,使内部腹板、外部侧板、钢梁端板和钢梁翼缘的应变减小;盖板会增加梁端抗弯刚度并增强钢梁端板的约束,使钢梁翼缘的应变减小,内部腹板和钢梁端板的应变显著增加;加厚内部腹板会增加钢梁端板的约束,使钢梁翼缘的应变显著增加,钢梁端板的应变略有增加,内部腹板的应变略有减小。盒式节点设计时应适当增大内部腹板间距并选用较大的板厚。研究成果可为该类RCS盒式节点设计提供参考。     

装配式可更换分级屈服耗能连接疲劳试验及变形性能研究

针对装配式混凝土梁-柱节点，提出一种可更换分级屈服耗能连接(replaceable graded-yielding energy-dissipation connector, RGEC),以实现结构屈服损伤可控并增强震后可恢复性。为研究RGEC的疲劳性能、耗能能力等力学性能，对5个试件开展低周往复加载试验。试验结果表明：RGEC具备良好的疲劳性能和稳定的滞回性能，其滞回曲线表现出明显的分级屈服机制；各试件在正常工作阶段的刚度、承载及耗能能力基本稳定，接近破坏时依然保持较充分的性能储备，破坏形式主要表现为弯剪段的弯剪破坏。针对RGEC弯剪段和屈曲段的变形性能，基于ABAQUS软件开展参数分析。结果表明：屈曲段的应变分布不均匀现象随着宽厚比或约束间隙的增大逐渐加重，同时其屈曲波数随宽厚比的增大逐渐增加；弯剪段的变形模式随着等应力屈服高度比或高宽比的减小逐渐由弯曲变形转变为剪切变形。     

腹板屈曲约束钢连梁抗震性能研究

腹板屈曲约束钢连梁通过在钢连梁腹板两侧设置约束板,保证钢连梁在往复剪切荷载作用下腹板剪切屈服后承载力能够持续强化,相比在腹板上设置加劲肋的传统方式,腹板屈曲约束钢连梁的腹板在接近钢材极限剪应变前不会发生面外屈曲,具有优越的耗能能力。通过5个腹板屈曲约束钢连梁的拟静力试验,研究了不同约束方式对钢连梁抗震性能的影响。试验结果表明:所有试件均实现了剪切屈服及承载力强化,破坏模式主要为翼缘、端板焊缝断裂和约束板弯曲破坏。钢连梁的超强系数平均值为1.38,大于《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的最低要求1.1,其中采用50 mm厚的钢筋混凝土约束板和25 mm厚的木板约束板的试件的超强系数超过了1.5。通过建立有限元分析模型进行试验对比验证和参数分析,提出了约束板最小厚度的建议取值,可为实际工程设计提供参考。     

装配式可更换耗能铰滞回性能试验研究

提出一种可恢复功能装配式节点,由可更换耗能铰、约束节点核心区、预制梁柱等组成。可更换耗能铰为人工塑性铰,其滞回性能是装配式节点抗震性能的关键影响因素。将可更换耗能铰设置在装配式节点的预制梁与节点核心区外伸梁端之间,对其进行低周往复荷载作用下的滞回性能试验。在该试验的基础上仅更换耗能铰中破坏的金属阻尼器,进行第二次试验。考察可更换耗能铰的破坏模态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、能量耗散能力等抗震性能。通过两次试验的对比分析,揭示可更换耗能铰抗震性能的可恢复能力。结果表明:可更换耗能铰弯矩-转角滞回曲线饱满,转动能力与耗能能力强,延性良好,强度退化不明显;可更换耗能铰实现了装配式节点的损伤、破坏集中在耗能铰上,耗能铰耗散的能量占装配式节点耗散总能量的70%以上;两次试验中可更换耗能铰的各项抗震性能基本一致,说明更换破坏的金属阻尼器后,耗能铰抗震性能基本可恢复。     

钢管混凝土组合结构全螺栓隔板贯通节点的抗震性能试验研究

该文以方形钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓隔板贯通连接节点为研究对象,以梁偏心为参数,进行了2个足尺的节点试件SJ1和SJ2的低周往复荷载试验,研究了该类型节点的破坏机理与抗震性能。通过试验数据处理与分析得出了该节点类型的破坏机理、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力及刚度变化规律;通过隔板应变分析验证了试件的破坏机理。试验结果表明:该类型节点具有很好的抗震性能,节点承载力高,滞回曲线饱满,延性系数较大,耗能能力强等特点;主要变形发生在梁端塑性铰区域,隔板与柱连接处容易出现应力集中现象。两组节点在设计时均考虑了抗震设计要求,破坏形式基本相同,以隔板端部梁翼缘及腹板屈曲破坏为主,但由于SJ2梁存在偏心,在荷载作用下节点下隔板与柱连接处被撕裂。     

带可更换耗能钢棒的装配式混凝土单侧屈服梁柱节点抗震性能试验研究

提出了一种新型的钢筋连接器——可调组合钢筋连接套筒,并基于此组装了一套耗能连接件。对耗能连接件开展了轴向的低周往复加载试验,验证了其荷载传递的可靠性以及优异的耗能性能。将耗能连接件内置于装配式混凝土框架梁端底部,提出了一种带可更换耗能钢棒的单侧屈服梁柱节点(REDB-SYBC)。对试件开展拟静力试验研究,分析节点的损伤分布、破坏形态、滞回特性、耗能能力等抗震性能。试件滞回曲线稳定饱满无捏缩,抗震性能良好。试验结果表明：新型节点单侧屈服的变形模式减少了楼板的变形与损伤,充分发挥了梁底连接件的耗能能力,其主要损伤及破坏均发生在梁底耗能钢棒上,实现了损伤集中的设计目标以及“强柱弱梁”的抗震设计原则;利用新型连接套筒的内部空间即可实现耗能钢棒的更换,经过更换和修复后的节点各项抗震性能与初始节点基本相当。     

火灾下拉剪组合作用对高强螺栓节点性能影响的试验研究

火灾中节点的承载力随着温度的升高而降低,高温下梁的悬链线效应在梁内产生较大的拉力,高强螺栓连接节点通常在拉剪共同作用下发生破坏。采用自定义双线性炉温控制曲线,进行两类共8组高强螺栓连接节点的恒载升温试验,分析了端板式连接和腹板双角钢连接两类节点在高温以及拉剪共同作用下的变形发展及破坏规律。试验结果表明:高强螺栓连接节点区的梁端板、连接角钢、柱上翼缘及高强螺栓的温度接近,且较梁柱构件温度低50℃左右;节点刚度随着温度的升高而降低,且大约在节点温度达到500℃后刚度下降速度明显加快;火灾下8mm端板节点的变形集中于拉力较大侧端板及螺栓,16mm端板节点的变形则集中于拉力较大侧螺栓及柱上翼缘;腹板双角钢连接节点主要是角钢产生较大变形;两类节点失效温度随拉力或剪力的增加而减小,且同类节点在不同拉剪组合作用下的残余变形模态类似。     

外伸悬挑组合式锅炉大板梁的静力试验及有限元模拟分析

为揭示外伸悬挑组合式锅炉大板梁的受力机理和破坏模式,并验证某工程大板梁的设计可靠性,通过对外伸悬挑组合式大板梁缩尺模型的静力试验和考虑各种非线性的ABAQUS有限元数值模拟分析,研究了大板梁简支段和悬挑段在各加载阶段的承载力、局部应力、整体变形和局部屈曲等关键响应,对试验中的破坏现象给出了合理解释,并重点研究了悬挑段与简支段拼接端板与拼接螺栓的受力和变形特点。试验与模拟结果均表明大板梁在设计荷载作用下处于线弹性阶段,并具有足够的安全储备;支座附近腹板局部屈曲和悬挑段端板拼接螺栓断裂是大板梁的主要破坏模式,决定了梁的整体承载力;按拼接螺栓群的受力模式,悬挑梁端的弯矩和剪力分别由翼缘附近螺栓的抗拉连接和腹板附近螺栓的摩擦连接来承担。各阶段试验现象和数值模拟结果吻合较好,也验证了数值模拟方法的可靠性。     

开孔形式影响装配式耗能支撑滞回性能研究

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑是由腹板开孔H型钢和传力槽钢通过螺栓连接组成的新型耗能支撑,可有效避免支撑构件失稳。为了研究腹板开孔形状对这种支撑的耗能性能的影响,进行了装配式耗能支撑试件低周往复加载试验,并采用有限元软件进行了模拟计算。试验结果表明:装配式H型钢腹板开孔耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,变形能力好。在轴向荷载作用下,试件主要依靠开孔腹板孔间板件进入塑性变形耗能阶段,腹板开长圆孔的试件与腹板开椭圆孔的试件孔间板件端部为薄弱部位,腹板开菱形孔的试件孔间板件中间部位为薄弱部位,加载过程中这些部位首先进入塑性变形阶段并最先发生断裂。加载过程中螺栓与槽钢始终处于弹性变形状态。有限元分析表明:改变腹板宽度对于腹板开长圆孔的耗能支撑的承载能力与初始刚度影响最大,对于腹板开椭圆孔的耗能支撑影响最小;改变孔间板件宽度对于腹板开菱形孔的耗能支撑影响较小。改变腹板厚度对于三种腹板开孔形式耗能支撑的承载力与初始刚度影响相近。当试件主体过早失稳,可通过增大高宽比、减小腹板厚度或选用翼缘更大的槽钢来避免。耗能板件螺栓连接部位安全可靠,未见变形或破坏,布置螺栓时孔距不应超过4.5d₀。     

装配式预应力混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱连接节点抗震性能试验研究

提出了一种新型全装配式预应力混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱端板螺栓连接节点形式,在低周反复水平荷载作用下,进行了6个装配式预应力中间节点试件和1个现浇节点试件的对比试验,得到了试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、刚度退化以及耗能能力等抗震指标,确定了该新型装配式梁-柱连接节点的抗震性能。试验结果表明,新型全装配式预应力混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱端板螺栓连接节点试件均实现了"强柱弱梁"的设计目标。试件的滞回曲线饱满,抗震性能良好,研究成果可为预制装配式框架在地震区的推广应用提供理论依据和技术支持。     

基于节点刚度的钢框架梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

以钢框架中3种不同连接节点形式（栓焊连接、顶底角钢腹板双角钢连接和腹板双角钢连接）的两跨三柱型梁柱子结构为研究对象,通过对中柱施加静力荷载的大变形试验考察梁柱子结构在中柱失效连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态和抗倒塌机理。结果表明:栓焊连接试件因梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂而失效;顶底角钢腹板双角钢连接试件为梁柱相连的受拉角钢在螺栓孔处发生断裂,且因梁端腹板螺栓孔发生承压破坏而失效;腹板双角钢连接试件因腹板两侧角钢在螺栓孔处断裂而破坏。梁柱节点刚度对结构的抗倒塌性能影响较大,腹板双角钢连接试件主要通过悬链线机制提供抗力;而其他两类试件在加载前期主要通过梁机制提供抗力,进而转变由悬链线机制来抵抗外部荷载。其中,顶底角钢腹板双角钢连接试件在后期更能充分发展梁端节点转角和梁截面轴力,表现出更为富余的抗倒塌能力储备。     

自复位可更换软钢耗能支撑性能研究

传统屈曲约束支撑结构在震后残余变形较大,不易修复或更换。该文提出一种新型自复位可更换软钢耗能支撑,提出了理论设计方法。制作了缩尺比例为0.6的试验构件并进行了低周往复加载试验同时对试验进行了数值模拟,与试验结果进行对比并作进一步分析。研究结果表明:新型支撑中软钢耗能件可以实现良好的高阶屈曲耗能,在加载过程中支撑主体构件无塑性发展;同时残余变形很小,结构有着良好的自复位能力和受力性能。软钢夹持间距的适当减小,软钢耗能件的多阶屈曲变形和塑性发展更为理想,提高了支撑的耗能能力,尤其改善了支撑在受压时的耗能能力。在更换了软钢耗能件后,支撑仍可以继续工作,实现了新型支撑"自复位可更换"的设计目标。     

可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能研究

为满足高烈度、高人口密度地区对高延性和高耗能能力装配式钢结构的迫切需求,采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材来制作钢框架节点连接组件,利用高强度螺栓与主体结构连接,实现预制装配功能、"延性耗能保险丝"功能、震后可更换功能的叠加。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性全接触有限元模型,结合国内外已有的钢框架全螺栓连接节点循环加载试验,验证建立的数值模型对模拟局部屈曲以及螺栓滑移现象的准确性。在此基础上,通过建立三类典型带连接组件的全螺栓连接钢框架节点数值模型,采用三种不同材料LYP100、LYP160和Q235制作连接组件,对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等,深入探讨采用低屈服点钢材连接组件钢框架节点的工作机理。结果表明:连接组件采用低屈服点钢材,可改变节点破坏模式,使塑性累积变形主要集中在连接组件上,耗散大部分能量（90%左右）,避免主体结构过早进入塑性阶段,有效发挥"延性耗能保险丝"作用;带低屈服点钢材连接组件节点的耗能能力高于带普通钢材连接组件的节点;当节点转角达到0.045 rad时,低屈服点钢材连接组件的最大伸长率远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变,说明连接组件仍具有较大的变形空间,不会发生提早断裂破坏,有效提高节点延性。     

钢框架中可更换橡胶抗弯耗能阻尼器减震性能分析EI北大核心CSCD

为钢框架结构提出一种可更换橡胶抗弯阻尼器,装配于钢梁的端部,不额外占用建筑空间。阻尼器包括橡胶段与保险丝段两部分,可在地震过程中提供分段自适应的被动耗能。首先阐明了此类阻尼器的作用机理,并对其提供了简要的抗震设计方法,并介绍了橡胶材料及橡胶段的动力试验;随后,对一典型钢框架结构进行算例分析,比较使用与未使用阻尼器两种情况下结构的地震响应。计算结果表明:橡胶抗弯可更换耗能阻尼器可为钢框架结构提供有效系统阻尼,通过将耗能与破坏聚集于阻尼器的不同部位,使结构中其他构件基本维持在弹性阶段,从而有效降低或消除结构残余位移;同时,阻尼器中的保险丝段为可更换构件,可显著提高整体结构的抗震性能与震后可恢复性能。     

框架-预应力摇摆墙结构抗震性能试验研究

该文提出了一种框架-预应力摇摆墙新型结构形式,其中摇摆墙脚部混凝土采用橡胶块替代,并通过墙内预埋的无粘结预应力筋与基础进行贯穿连接,摇摆墙与主体框架则采用耗能连接件相连。通过一榀框架试件和一榀框架-预应力摇摆墙试件的拟静力试验,研究了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明:框架-预应力摇摆墙结构的破坏有效地集中在耗能连接件上,梁端、柱端以及梁柱节点区的破坏相对较轻;极限承载能力提升显著,相较对比框架提高了112.4%;耗能能力较对比框架大幅提升,且各层层间变形趋于均匀;耗能连接件发挥出了良好的延性变形能力,且施工方便、造价低,实现了可更换构件与摇摆结构的有机结合。     

穿芯高强螺栓-端板节点方钢管混凝土框架抗震性能数值分析

为研究采用穿芯高强螺栓-端板节点的方钢管混凝土框架的抗震性能,基于一榀两层两跨方钢管混凝土框架的拟静力试验研究结果,利用有限元软件ABAQUS对试验试件进行了非线性数值分析。研究框架的破坏机制、延性、耗能能力及节点性能。在峰值荷载前,数值分析结果与试验结果吻合较好。对轴压比、节点端板厚度、加劲肋厚度以及高强螺栓预拉力等因素进行了分析。结果表明,框架滞回曲线饱满,具有良好的延性和耗能能力,节点在加载过程中未产生塑性变形。当框架柱的轴压比较小时,可形成理想的梁铰破坏机制。增大端板厚度和设置梁端加劲肋可提高结构的刚度与承载力,使框架刚度的退化趋于平缓。高强螺栓预拉力对框架性能无显著影响。     

圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁负弯矩区力学性能试验研究

为研究圆管翼缘组合梁负弯矩区的力学性能,进行了5根简支组合梁负弯矩作用下的静力加载试验,分析了试验梁的变形、应变发展规律。依据试验梁承载能力极限状态下的受力特性,采用简化塑性理论推导了圆管翼缘组合梁负弯矩区纯弯、纯剪承载力的计算公式,比较了公式对试验梁极限承载力的计算精度。对比EC4、GB 50917-2013、ASCE及Liang等公式的弯剪相关关系及对试验梁极限承载力的计算结果,提出了圆管翼缘组合梁负弯矩区弯剪相关承载力的适用计算公式。研究结果表明:试验梁在试验过程中表现出良好的稳定性和延性性能,最终破坏时伴随发生了局部剪切屈曲、下翼缘侧向屈曲、梁端腹板压屈及钢梁整体弯扭屈曲等4种典型破坏形态;当混凝土翼板受拉开裂后,不计混凝土抗剪作用的计算弹性剪应变分布较为符合实测剪应变曲线;受高剪力、高弯矩相关效应影响,计算负弯矩区圆管翼缘组合梁承载力时应考虑弯剪相关作用;GB 50917-2013给出的弯剪相关关系对试验梁极限抗弯承载力的计算平均值为96%,是综合计算精度与结果安全性的较适用公式。建议在应用所提纯弯、纯剪承载力公式的基础上,采用GB 50917-2013的弯剪相关公式计算负弯矩区圆管翼缘组合梁的弯剪相关承载力。