具有自复位能力的钢结构体系研究

传统的钢结构在地震中通过梁柱构件的塑性变形耗散地震能量,导致地震后可能产生较大的残余变形,难以修复,具有自复位能力的新型建筑结构可以有效解决此问题。在国内外关于自复位新型钢结构体系研究成果的基础上,对其体系结构与受力特点进行总结与分析:该类节点的梁柱间通过角钢栓接,沿梁长布置高强预应力钢绞线;通过对钢绞线施加预应力将梁柱压紧,使节点具备足够的抗弯刚度以满足正常使用情况下的功能性要求,钢绞线同时提供回复力使节点在震后具有自复位的能力;震中通过角钢的塑性破坏来耗能,而梁柱等主体构件则保持弹性;由于主体构件没有受到破坏,而且节点在预应力作用下自动回复原位,故震后仅替换角钢便可恢复节点至无损状态。研究表明,自复位钢结构体系具有有效性和工程可行性。     

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...     

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。     

带狗骨削弱盖板的自复位预应力梁柱节点静力性能研究

基于控制损伤的思想,提出了一种带狗骨削弱盖板的自复位预应力钢框架梁柱节点,其构造由带悬臂梁段的圆钢管柱、结构梁段、狗骨削弱盖板、预应力拉索以及高强螺栓群组成,可实现现场快速装配。通过控制狗骨削弱盖板厚度以及预应力拉索初始预拉力大小等参数,研究节点的耗能性能以及震后修复情况,寻求合理的影响因素。对4个新型自复位预应力梁柱节点算例进行了数值模拟分析,获得了节点的荷载-位移曲线、应力分布曲线以及预应力拉索索力变化曲线等数据,分析节点狗骨削弱盖板厚度以及拉索初始预拉力大小对节点复位能力的影响规律。研究表明:在达到预期自复位效果的前提下,具有狗骨削弱盖板的节点相比于无翼缘盖板的节点具有更好的耗能能力,可有效降低结构的塑性损伤,确保梁柱等主体构件不发生破坏;同时,狗骨削弱盖板厚度与拉索初始预拉力大小的不同组合关系,将会影响节点的复位模式。     

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的试验研究

提出了一种腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点形式,并通过14个低周反复加载试验,对节点在循环荷载下的力学行为以及耗能特性进行研究,分析钢绞线预应力、螺杆预应力、梁端钢套、螺旋箍筋等参数对于节点性能的影响。试验结果表明,腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点具有震后自动复位、主体结构基本无损、耗能机制明确等优点。梁端的钢套避免了混凝土梁柱在相对转动时的局部受压破坏,而位于梁端腹板的摩擦装置则提供了良好的耗能能力。随着初始预应力的加大,节点的初始刚度、临界张开弯矩加大并具有更强的自定心能力;节点的耗能效果主要受摩擦力的大小控制,预应力螺杆的正应力越大,耗能效果越明显。为保证槽钢的传力和摩擦耗能效果,须加强柱预埋钢板在框架柱中的锚固。     

震后可恢复功能的钢框架预应力梁柱节点性能研究

针对震后可恢复功能的腹板摩擦耗能钢框架预应力梁柱节点,对3个设计的节点试件进行低周往复加载试验、有限元模拟和理论分析。结果表明:钢框架预应力梁柱节点在加、卸载过程中实现梁柱接触面开口和自动复位的机制,滞回曲线表现出明显的双旗帜模型,节点耗能系数βE满足大于0.25的基本要求;钢绞线最大索力均未超过90%的屈服索力;主要构件基本处于弹性状态,残余转角均很小,节点实现了震后恢复功能的目标。研究还发现,随着节点初始预应力度的提高,节点初始刚度和开口后刚度、开口临界弯矩和钢绞线最大索力都有不同程度的提高,最大开口转角和耗能能力呈下降趋势。节点有限元模拟与试验结果吻合较好,理论模型与试验及有限元结果基本吻合。     

承载力比值对摩擦型自复位节点抗震性能的影响

钢绞线与高强螺栓连接提供的节点抗弯承载力比值是影响摩擦耗能型梁柱自复位节点抗震性能的重要参数.采用有限元软件ANSYS 10.0,对5个按照不同抗弯承载力比值设计的节点模型进行单调和循环加载模拟,分析该参数对节点抗震性能的影响.研究表明：当高强螺栓连接的抗弯承载力比钢绞线的抗弯承载力略小时,节点的耗能性能最强且具有自复位能力.建议将节点设计弯矩按钢绞线与高强螺栓连接承载力比值分配,分别设计钢绞线与高强螺栓连接.     

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。     

带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为减小耗能部件对自复位性能的影响,提出一种带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱 钢梁节点。对4个2/3缩尺比例的自复位节点试件进行了拟静力试验,研究钢绞线初始预应力、耗能钢棒直径及是否布置楔形装置对节点受力性能、自复位性能和抗震性能等的影响。结果表明：在梁端往复荷载作用下,各试件的滞回曲线均为典型的“双旗帜”形,具有良好的自复位性能和耗能能力。加载过程中,仅耗能钢棒进入塑性,主体构件及钢绞线均保持弹性。震后仅需更换耗能钢棒并调整楔形装置位置即可快速恢复使用功能。增加钢绞线初始预应力可以显著提高节点的承载力;增大耗能钢棒直径明显提高了节点的承载力和耗能能力;设置楔形装置可以显著提高节点的耗能能力。提出了带楔形装置自复位节点的简化恢复力模型,简化恢复力模型与试验滞回曲线吻合较好。     

基于损伤可控的梁柱节点受力性能的试验研究

提出一种基于损伤可控的梁柱节点(Web-Connected and Prestressed节点,简称WCP节点)。通过在梁端腹板设置连接钢板、摩擦耗能螺栓以及预应力筋,将梁柱连接在一起。为了研究该类节点的滞回性能、自复位能力和损伤特征,设计、制作并完成了4个足尺节点试件的低周往复试验,分别考虑了预应力筋的初始张拉力、高强度螺栓的预紧力以及拼接板的表面处理方式对节点性能的影响。试验结果表明:该类节点的破坏主要集中在拼接部分;节点通过螺栓的滑移变形提供了较好的耗能能力;预应力筋能够增强节点的刚度,降低节点的残余变形,提供一定的自复位能力,且预应力筋的初张拉力越大,节点的复位性能越明显;高强度螺栓预紧力越大,节点的承载力越大,耗能性能越好;采用普通表面处理的试件比采用喷砂处理的试件承载力大,耗能性能好。     

钢框架预应力节点的介绍与分析

介绍了一种新的钢框架节点——预应力钢结构节点，该节点在顶底角钢连接的节点中增设了钢拉杆。钢拉杆与梁平行，并通过张拉钢拉杆使梁柱间产生预压力。试验研究表明：在往复荷载下，该节点的耗能由顶底角钢的非弹性变形提供，而钢拉杆和梁柱均保持弹性。该节点的主要优点是（1）拥有自定心（self—centering）的能力从而大大减小了在地震后的残余变形；（2）初始刚度较大与全焊接节点相似：（3）地震下破坏集中在节点的角钢处，地震后可以较方便地通过更换节点处的角钢来修复节点。     

Parametric study of hexagonal castellated beams in post-tensioned self-centering steel connections

The effects of important parameters (beam reinforcing plates, initial post-tensioning, and material properties of steel angles) on the behavior of hexagonal castellated beams in post-tensioned self-centering (PTSC) connections undergone cyclic loading up to 4% lateral drift have been investigated by finite element (FE) analysis using ABAQUS. The PTSC connection is comprised of bolted top and bottom angles as energy dissipaters and steel strands to provide self-centering capacity. The FE analysis has also been validated against the experimental test. The new formulations derived from analytical method has been proposed to predict bending moment of PTSC connections. The web-post buckling in hexagonal castellated beams has been identified as the dominant failure mode when excessive initial post-tensioning force is applied to reach greater bending moment resistance, so it is required to limit the highest initial post-tensioning force to prevent this failure. Furthermore, properties of steel material has been simulated using bilinear elastoplastic modeling with 1.5% strain-hardening which has perfectly matched with the real material of steel angles. It is recommended to avoid using steel angles with high yielding strength since they lead to the yielding of bolt shank. The necessity of reinforcing plates to prevent beam flange from local buckling has been reaffirmed.     

A simplified numerical model for post-tensioned steel connections with bolted angles

Post-tensioned (PT) self-centering beam–column connections has been developed for its good seismic performance. Many researchers have investigated its mechanical behavior by numerical or experimental method. Prior researches have indicated that the analysis by elaborate FE models is very time consuming. To overcome this disadvantage, a simplified numerical model was established in this paper. The accuracy of results derived by this model was validated against prior investigations on interior PT connections with top-and-seat angles. Influence of initial PT force on mechanical behavior of PT connection was investigated. The Geometric and material nonlinearities, and strands can be considered in the modeling. A planar steel frame structure was established and hysteretic analysis was conducted. Results indicated that the computational cost can be greatly reduced by this model.     

削切钢盖板梁柱接头设计与耐震行为

本研究的目的为提出新式的梁柱接头以避免在工地现场进行梁柱接头全渗透焊接,同时亦控制塑性变形发生在一简单、可修复的装置(削切盖板)而非钢梁。削切盖板(RFP)以焊接或栓接方式固定于钢管混凝土(CFT)柱,以螺栓或填角焊与梁翼板接合,四组全尺寸削切盖板梁柱接头试体试验结果显示:(1)削切盖板梁柱接头在反复载重作用下均可超越0.04弧度的位移角,而使梁的塑性弯矩强度得以发挥;(2)塑性变形发生在削切盖板而非钢梁上,进而避免钢梁的挫屈;(3)利用有限元素分析程序ABAQUS可预测试体接头的反复载重行为,并证明削切盖板梁柱接头的弹性挠曲劲度与盖板梁柱接头相似,满足刚性接头的劲度要求;(4)削切盖板的非弹性挫屈强度可藉由本研究提出的非线性回归分析模型预测。     

低损伤预应力自复位装配式混凝土耗能框架节点试验和数值研究

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能,提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete,SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件,对其进行拟静力试验,研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点,低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能,预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm;试验中预应力筋始终保持弹性状态,初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力,耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳;梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加,且拉应变值明显大于压应变。此外,通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得,节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内,从而验证了有限元模拟方法的精确性,可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

Experimental and numerical study on low damage self-centering precast concrete energy dissipated frame connections

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能，提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete，SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件，对其进行拟静力试验，研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点，低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能，预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm；试验中预应力筋始终保持弹性状态，初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力，耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳；梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加，且拉应变值明显大于压应变。此外，通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得，节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内，从而验证了有限元模拟方法的精确性，可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

下翼缘组件可更换框架组合梁的设计方法及验证

梁端塑性铰机制是普通框架结构在地震作用下的一种常设耗能模式,但其震后修复困难,为此提出了一种可更换耗能组合梁,由上翼缘连接板件和下翼缘角钢连接相邻梁段。连接处截面中性轴位于上翼缘处,从而将损伤集中于梁下翼缘的连接角钢上,震后仅需更换角钢,以期快速恢复结构功能。详细分析了该组合梁的传力机制,建立了设计方法,并通过试验予以检验。试验结果表明,组合梁的弹性刚度、变形分布、连接处中性轴的位置以及屈服承载力和塑性转动能力均能达到设计预期,在设定的损伤变形范围内更换角钢可以基本恢复结构性能。     

腹板双角钢梁柱连接循环荷载试验研究

为了研究腹板双角钢梁柱连接的抗震性能,对四个连接试件进行了梁端循环位移加载试验。试验中考察了角钢高度、角钢与柱翼缘连接高强螺栓的直径和排列布置对连接的承载能力、滞回性能和破坏机理的影响,分析了这种连接的破坏模式和变形能力。试验结果表明:连接在循环荷载作用下表现出良好的延性,转角均超过0.04rad,连接的最终破坏均为角钢的塑性撕裂破坏;连接具有相当的抗弯能力,在结构分析中,须考虑节点抗弯强度对框架性能的影响,不能简单作为铰接处理;增大角钢的高度,能提高连接的强度;增大螺栓间距,减小螺栓直径,能提高连接的延性。最后,根据试验结果提出设计施工建议。     

Development of floor slab for steel post-tensioned self-centering moment frames

A floor slab constructed in conventional moment-resisting frames (MRFs) limits opening of gaps at the beam-to-column interfaces, causing losses of self-centering capability and preventing its use in steel post-tensioned (PT) moment frames. This work presents two novel slab schemes to reduce the restraints on the seismic responses of a PT frame. The first scheme uses a slab in typical MRFs with a modification so that near the connection, the metal deck is discontinuous and the longitudinal bar in the deck is debonded from concrete to minimize slab restraints. The second scheme uses truss elements to connect the slab and beams in only one bay (rigid bay) of the PT frame for transferring inertial forces from the floor to the frame. The sliding device is provided at one end of floor beams transverse to the PT frame, where sliding of the slab is expected. The cyclic behaviors of the bare connection and the connection with the first slab scheme are also evaluated by testing four connections. Additionally, how the rigid bay affects the cyclic behavior of the frame, distribution of column shear, beam axial force variation, and gap opening response near the beam-to-column interface is evaluated by conducting frame subassembly tests. The test results demonstrate that (1) the PT frame with any of two slab schemes develops large deformation capacities with small residual deformations, and (2) the column shear and beam axial force can be estimated based on the proposed method.     

钢框架塑性铰外移新型延性节点的研究与进展

梁柱节点连接对钢框架抗震性能有显著影响.介绍了1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震后钢框架新型延性节点的研究与发展状况;说明了塑性铰外移RBS连接设计的必要性和基本形式;介绍了美国联邦突发事件管理局对RBS连接钢框架的设计方法,并阐述了对其改进的方法;提出了目前钢框架塑性铰外移新型延性节点研究尚需解决的关键科学问题.