可恢复功能的中间柱型阻尼器预应力钢框架结构性能化设计研究

在以往研究的基础上,提出可恢复功能的中间柱型阻尼器预应力钢框架结构的设计方法,并给出详细的设计流程。按照该设计方法和流程设计了一个10层可恢复功能的中间柱型阻尼器预应力钢框架结构,并对其在8度小震和中震作用下的基底剪力、层间位移角、震后各层残余位移角及中间柱型阻尼器的滑移值进行分析。结果表明,经过性能化设计的中间柱型预应力钢框架能够满足多遇地震无开口、无损伤,设防地震开口耗能且主体结构无损伤的设计要求,具有更高的抗侧刚度、耗能能力和明显的自动复位优势,验证了该设计方法的可行性。     

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。     

自复位钢框架结构研究进展Ⅰ:基于预应力拉杆/拉索

传统的钢框架结构强震时梁柱节点或柱脚可能产生脆性破坏而导致不易修复或代价昂贵。可恢复功能钢框架结构基于结构的摇摆/自复位机理,能够有效减轻结构的地震反应和震后残余变形。本文详细介绍了基于预应力拉索/杆的三种不同自复位钢框架结构,主要包括预应力拉索结合金属阻尼器的自复位钢框架、预应力拉索结合摩擦阻尼器的自复位钢框架和基于高强预应力拉索的自复位耗能支撑。系统分析和归纳了国内外关于基于预应力拉索的可恢复功能钢框架的研究进展及其发展趋势,对自复位钢框架的研究开发应用具有重要意义。     

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。     

T形芯板摩擦阻尼器抗震性能分析

采用ANSYS软件对天津某一安装T形芯板摩擦阻尼器的钢框架结构进行抗震研究,分析了在天津波多遇和罕遇地震作用下不同阻尼器布局对该结构的抗震性能.分析结果表明,安装T形芯板摩擦阻尼器能显著提高结构的抗震能力,同时发现T形芯板摩擦阻尼器在地震下不会对框架边柱产生不利影响,能减小框架柱的轴力,可提高框架的安全性.     

可恢复功能的装配式预应力钢框架性能化设计研究

针对提出的可恢复功能的装配式预应力钢框架结构体系,依据已完成的梁柱节点、框架试验和整体结构的分析结果,结合我国现行建筑抗震设计规范,提出了腹板摩擦耗能的可恢复功能的装配式预应力钢框架"多遇地震无开口、无损伤,设防地震开口耗能且主体结构无损伤、罕遇地震主体结构损伤较小且仍能正常使用"的性能化设计目标,同时提出了性能化设计准则和设计流程,并通过设计算例验证了该方法的可行性,证明了提出的装配式预应力钢框架的结构响应估算方法具有一定的可靠性。     

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。     

中间柱型阻尼器全螺栓装配式钢框架数值分析

提出了一种中间柱型阻尼器全螺栓装配式钢框架结构体系,利用有限元软件ABAQUS对该体系平面框架进行了数值模拟,分析钢框架的滞回性能、法兰螺栓预紧力损失、中间柱滑移以及各关键部位的应变变化等,并与试验结果进行对比。结果表明:有限元结果与试验结果基本吻合,结构表现出良好的滞回性能和抗震能力,法兰螺栓预紧力稍有降低,单法兰内套筒式连接节点达到刚接效果;中间柱型阻尼器的设置,不仅为结构提供耗能,还可延缓结构塑性发展和保护主体结构。     

基于高强钢环簧的摩擦耗能自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

可恢复功能结构是目前地震工程研究的热点,也是未来发展趋势,以可恢复功能结构为背景,提出了基于高强钢环簧摩擦耗能的自复位消能减震阻尼器,分析了阻尼器的工作原理并给出了构造方案。通过低周往复加载试验考察多次序列地震作用下阻尼器的抗震性能。试验结果表明：采用高强钢环簧的自复位消能减震阻尼器变形能力可调节、自复位性能优良;滞回性能稳定,具有良好的抗震可恢复性;环簧锥形摩擦面处理工艺对阻尼器自复位性能与耗能能力会产生一定影响,当摩擦系数增大时,自复位性能有所降低,但耗能能力增大;所提出的阻尼器理论刚度预测公式计算结果与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

新型转动型摩擦阻尼器设计及应用

提出了一种新型的转动摩擦阻尼器,并在现有的被动式阻尼器设计方法的基础上,提出一种适合于设计新型转动摩擦阻尼器的计算方法。利用Open Sees抗震分析软件建立包含阻尼器和不包含阻尼器的4层钢框架模型,并对钢框架模型进行多遇地震和罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。研究结果表明,转动型摩擦阻尼器的弯矩-转角滞回曲线饱满,具备良好的耗能能力;运用所提出的设计方法设计的阻尼器,可以达到预定的降低结构的地震响应的目的,钢框架结构的整体抗震性能得到明显改善。所提出的新型摩擦阻尼器可以发挥很好的消能减震的目的,所提出的阻尼器的设计方法在设计摩擦阻尼器时简单、准确。     

半刚性框架-密肋网格复合钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

对一榀单跨两层半刚性框架-密肋网格复合钢板剪力墙结构进行了低周反复荷载作用下的试验研究。系统分析了结构的受力机制、破坏模式和耗能机理,得到了承载力、刚度、延性及耗能能力等指标,评价了该种结构体系的抗震性能。结果表明：结构在弹性工作阶段主要依靠墙板的剪切机制承担水平荷载,非弹性阶段区格中钢板的对角拉力带为结构提供侧向承载能力;密肋网格的设置有效限制了内嵌钢板的面外变形值,提高了结构的弹性刚度,克服了滞回曲线的“捏缩”效应,减小了钢板的噪音及震颤,显著增强了结构的耗能能力;框架与钢板墙协同工作良好,结构塑性变形能力强,安全储备高,是一种优良的抗侧力体系;破坏模式为各区格中的钢板撕裂,拉力带效应明显,边框架柱脚及边框架梁端形成塑性铰。     

高强螺栓端板连接钢梁-方钢管混凝土框架结构抗震性能研究

通过一榀高强螺栓端板连接的2层1跨半4∶7比例组合梁-方钢管混凝土模型框架的拟动力试验、拟静力试验和静力推覆试验,运用子结构方法,模拟了一榀10层3跨的平面框架,研究了钢管混凝土框架结构的破坏形态、位移响应、滞回特性和耗能等抗震性能。拟动力试验中,多遇烈度地震时,框架刚度降低很小;基本设计烈度地震时,框架刚度降低约13%;罕遇烈度地震时,框架刚度降低20%,框架层间位移角小于2.0%。拟静力试验中,最大层间位移角超过1.6%,部分构件出现初始局部屈曲,框架整体未出现强度退化。在静力推覆试验中,即使层间位移角超过6.0%,框架承载力仍未发生下降。高强螺栓端板连接节点能够满足抗震设计要求,在规范限定的按弹塑性设计的层间位移角限值范围内,经过合理设计的螺栓端板连接可视为刚性连接。试验结果验证采用螺栓连接的钢梁-方钢管混凝土框架具有良好的抗震性能,可在抗震设防区结构中推广使用。     

四角钢连接框架-十字加劲钢板墙结构抗震性能试验研究

通过一榀单跨双层的四角钢连接框架内嵌十字加劲钢板墙模型的低周反复荷载试验,系统分析结构受力性能和破坏机理,研究其滞回性能、破坏模式、延性及耗能性能等抗震特性。试验结果表明：整个结构具有较大的初始刚度以及良好的延性和耗能能力,结构丧失承载力是因为柱脚处焊缝全部撕裂。     

钢结构高效装配减震体系拟动力和静力试验研究

针对装配式钢结构中广泛应用的钢框架箱型柱全熔透焊接的传统连接技术存在热影响区力学性能差、施工效率低、人工成本高、污染环境等关键问题,课题组提出芯筒式全螺栓连接节点,结合中间柱摩擦阻尼器减震技术,构建一种高效装配式减震钢结构体系。以工程实例为原型结构,对其中一榀进行0.7倍缩尺,对钢结构高效装配减震体系试验框架进行拟动力和拟静力试验研究。研究表明在El-Centro波8度(0.2g)多遇、设防、罕遇和8度(0.3g)罕遇地震作用下,试验框架表现出良好的刚接性能,拟动力试验结束后基本无塑性损伤。拟静力试验大变形情况下,试验框架滞回曲线呈双线性,结构主要通过阻尼器进行耗能,试验结束时,除柱脚应变较大外,节点域以及梁和中间柱位置几乎保持弹性状态。结果表明钢结构高效装配减震体系节点有良好的受力性能,中间柱型阻尼器发挥了耗能作用。     

抗弯钢框架-密肋网格复合钢板墙抗侧力体系抗震性能理论与试验研究

提出了密肋网格复合钢板剪力墙,并与抗弯钢框架相结合,充分发挥各自的性能。从理论和试验两个方面对其抗震性能进行了研究。其中理论分析主要研究了密肋网格复合钢板剪力墙的受力机制,提出了密肋网格板的构造措施,并通过有限元模型分析了其受力性能;试验研究主要针对一榀双跨两层抗弯钢框架-密肋网格复合钢板剪力墙试件进行拟静力试验,考察其在低周反复荷载作用下的侧向刚度及承载性能、滞回特性、耗能能力及破坏特性等,评价了该体系的抗震性能。研究表明：该体系在弹性阶段主要依靠墙板的剪切机制和钢框架共同承担水平荷载,非弹性阶段区格中钢板的对角斜向拉力带为结构提供侧向承载能力;密肋网格板避免了墙板发生整体剪切屈曲,限制了钢板的面外变形值,提高了其弹性刚度,缓解了墙板拉力带对边框架柱的附加弯矩,保护了主要受力构件,克服了滞回曲线的捏缩现象,显著增强了其耗能能力;钢框架与密肋网格复合钢板剪力墙具有良好的协同工作性能,体系变形能力强,大变形状态下具有稳定的承载性能,安全储备高,是优秀的抗侧力体系;破坏模式为区格中钢板屈曲屈服并撕裂,拉力场效应明显,钢框架梁端及钢框架柱底形成塑性铰。     

不锈钢复合芯板剪切型摩擦消能器试验研究

为了解决传统摩擦消能器性能不稳定、价格昂贵等问题,研发了一种以双面不锈钢复合钢板为芯板的剪切型摩擦消能器。该消能器由复合钢板的不锈钢复层与石棉摩擦片组成耗能摩擦副,通过碟形弹簧和预压螺栓调节滑动摩擦面承受的面压力。提出了消能器极限位移、极限荷载和面压力等试验关键指标的计算方法。对3个消能器进行低周往复加载试验,考察其滞回曲线、耗能能力、极限破坏特征及疲劳性能。结果表明：采用不锈钢复合芯板的剪切型摩擦消能器构造合理,滞回性能稳定,耗能能力良好,抗疲劳性能优异。设计位移幅值下累积加载90次,消能器承载力不下降,滞回性能稳定。低周疲劳作用下芯板不同材质复合界面性能可靠,不锈钢复合板可用作摩擦消能器的芯板。     

多层砌体填充墙框架结构抗震性能试验研究

为了研究砌体填充墙沿框架层不连续布置对框架结构抗震性能的影响,进行了3榀两层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀单层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀两层单跨框架结构模型和1榀单层单跨框架结构模型的对比试验,分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、承载力退化和耗能性能等抗震性能指标。结果表明：无论是单层单跨还是两层单跨的砌体填充墙框架结构,其水平峰值荷载和初始刚度比相应的纯框架结构均有较大幅度的提高,且其刚度退化程度比相应纯框架结构要缓慢;砌体填充墙的存在提高了框架结构的抗侧刚度和水平峰值荷载,使框架结构的变形由剪切型逐渐转变为弯剪型;砌体填充墙参与了结构的滞回耗能,填充墙框架的位移延性和累积耗能能力明显优于框架;砌体填充墙沿框架层不连续布置会引起框架结构层间侧移刚度和层间受剪承载力发生突变,影响框架结构的破坏形态,但由于砌体填充墙参与了框架结构的滞回耗能,故其仍具有较好的抗震性能。     

Cyclic responses of three 2-story seismic concentrically braced frames

Three full scale two-story steel concentrically braced frames (CBFs) were tested at the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE) in Taipei. The specimen is a single bay with the braces arranged in a two-story X-brace configuration. The main differences among the three tests are the brace types (hollow structural or wide-flange section) and the design criteria adopted for the gusset plate connections. Results of these three tests confirm that the two-story X-shape steel CBFs all have rather good energy dissipation characteristics up to a story drift of about 0.03 radians under the cyclically increasing lateral displacements. Severe brace local buckling and out-of-plane displacements were observed during each test. Tests confirm that both the 2t-linear and 8t-elliptical designs of the gusset plate connection provide satisfactory ductility for the steel CBF. Hollow structural section (HSS) braces fractured at a story drift smaller than that found using wide flange sections. The nonlinear fine element method (FEM) program ABAQUS was used to simulate the responses of the specimen. The base shear versus the story drift relationships obtained from the tests and the FEM analytical results are quite agreeable in various levels of lateral frame displacement. The analytical results confirm that the severe out-of-plane buckling of the braces can be accurately simulated. FEM analyses also illustrate that the steel moment resisting frame takes about 40% story shear when the inter-story drift is greater than 0.02 radians.