钢质往复弯曲耗能铰滞回性能试验研究及理论分析

提出一种销轴连接新型钢质往复弯曲耗能铰,可用于装配式结构预制梁柱连接,并实现梁端耗能和塑性铰外移。对两个该新型耗能铰进行滞回试验,试验结果表明:新型耗能铰整体绕销轴转动,试件的破坏形式为耗能元件受压翼缘屈曲或受拉翼缘断裂;其滞回曲线饱满,能量耗散系数达3.0以上,具有良好的耗能能力,无明显的刚度退化和强度退化;量测完整的耗能铰塑性转角达0.055rad,两个试件的延性系数均大于4.0,均满足规范要求。建立该类耗能铰的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对钢质往复弯曲耗能铰开展机理分析和参数分析。结果表明:耗能铰达峰值荷载时,耗能元件中心可达全截面塑性,具有塑性设计要求的转动能力,且在转动过程中承载力不降低;耗能铰削弱程度、耗能铰长度对该类耗能铰的初始刚度、承载力和转动能力有较大的影响,耗能铰削弱范围对滞回曲线影响较小。基于参数分析,给出耗能铰主要构造参数的取值范围,并建议了该类耗能铰的简化滞回模型,简化计算结果和试验结果、有限元计算结果吻合较好。     

基于三维弹塑性损伤演化的斗拱节点滞回性能分析

斗拱节点是传统木结构中典型的木-木连接节点之一,其滞回性能对结构的整体抗震性能至关重要.为跟踪斗拱节点在低周反复荷载作用下的损伤演化过程,基于木材三维弹塑性损伤本构模型开展了斗拱节点滞回性能的有限元模拟分析.计算结果表明,有限元模型能合理表征节点滞回曲线的捏拢效应、强度软化行为和刚度退化行为.有限元模型对节点的初始刚度和水平承载力的预测结果与已有试验结果吻合较好,模拟误差小于12.5％.该模型能合理反映栌斗和木枋在加载过程中的转动变形和斗拱节点的损伤演化过程.参数分析结果表明,斗拱节点的承载力和耗能能力随轴向压力的逐渐增加而增加,当轴向压力超过40kN后,节点的承载力增幅降低.     

楔形削弱型节点滞回性能有限元分析

为了研究梁柱刚性连接的楔形削弱型节点在循环荷载作用下的受力性能,采用有限元软件ABAQUS对两个系列共10个不同削弱参数取值的楔形削弱型节点模型进行了数值模拟分析。研究结果表明:楔形削弱型节点与翼缘狗骨形削弱节点的承载能力及滞回曲线的饱满程度相当,楔形削弱节点具有良好的滞回性能与耗能能力;楔形削弱型节点的滞回曲线呈现明显的不对称现象,且随着梁腹板削弱高度b增大,不对称现象加剧,承载能力随着参数b的增大先增大后减小,其临界值与梁高hb关系约为b/hb=0.14;削弱最深处距柱表面的距离a对节点的初始刚度没有影响,承载能力随着参数a的增大先减小后增大,其临界值约为梁高;综合节点的滞回曲线及应力分布来看,建议a/hb取为1.12左右,b/hb取为0.17~0.21。     

钢筋混凝土柱压弯剪扭滞回性能试验研究

为揭示钢筋混凝土柱在压弯剪扭反复荷载作用下的破坏机理,以扭弯比、剪跨比、配筋率和配箍率为变化参数,采用同步但不同位移幅值的加载方式完成了6个试件的低周反复加载试验并获取了试件试验数据,分析各变化参数对抗震性能的影响。试验结果表明：裂缝主要集中在试件中下段,呈现斜向交叉形式,破坏模式主要呈现弯扭破坏形态;随着扭弯比和配筋率的增大,试件扭矩-扭转角滞回曲线更为饱满,耗能能力强;增大剪跨比,试件扭矩-扭转角滞回曲线则呈现为捏缩状,耗能能力变差,但后期变形能力增强;通过增大试件的扭弯比、配筋率和配箍率,均可提高试件受弯延性和耗能能力,同时可延缓其强度和刚度的退化。     

开缝钢板剪力墙滞回性能研究

开缝钢板剪力墙的开缝形式能够改善结构破坏形式、提高耗能能力及延性。为研究不同开缝形式和开缝参数对开缝钢板剪力墙的滞回性能影响,利用ABAQUS有限元软件建立了开缝钢板剪力墙的数值模型。结果表明,有限元计算结果和试验结果吻合较好。设计了竖缝、斜缝和对称斜缝3种开缝形式,通过28个钢板剪力墙试件的计算分析发现开缝钢板墙能够很好地实现屈曲前屈服。开缝使得钢板墙的承载力和刚度明显下降,但滞回环饱满,具有较好的耗能性能;而对称斜缝钢板墙可获得较好的屈服耗能。研究结果表明:缝间墙肢宽高比为0.2时的钢板墙刚度和耗能性能较好;通过合理设置钢板墙中的开缝参数,可使得钢板墙具有可控的抗侧刚度和承载力,获得较好的抗震耗能能力。通过骨架曲线上的特征点对开缝钢板墙的受力过程进行分析,考察了缝间墙肢宽高比b/h和高厚比h/t对开缝钢板墙滞回性能的影响。     

高层混合结构滞回耗能分布规律的研究

本文采用10条不同类型地震波对11个周期不同的高层混合结构进行地震能量分析,以研究结构参数以及地震波参数对结构滞回耗能层间分布系数的影响.研究表明,高层混合结构的主要滞回耗能区域在剪力墙底部,钢框架基本不参与滞回耗能;滞回耗能在高层混合结构中的层间分布主要受到结构自振周期和地震波强震持时的影响,底层剪力墙承担滞回耗能的比例随结构自振周期或地震波强震持时的增大而降低;通过参数分析获得了反映周期以及强震持时影响的滞回耗能层间分布系数的简化计算公式.     

铅芯橡胶支座滞回特性的振动台试验研究

铅芯橡胶支座是一种常用的阻尼机构一体型隔震装置,其水平方向的滞回性能反映了该装置的耗能能力并影响整个隔震建筑的隔震效果,是隔震装置的一个关键指标.基于某铅芯橡胶支座基础隔震结构的模型振动台试验数据,对该隔震装置在不同地震加速度记录、不同地震强度、不同地震输入方向等各种工况下的滞回曲线进行了对比与分析,得到了一些有益的结论.     

泡沫铝填充钢管支撑滞回性能的试验研究

对3榀中心支撑框架进行了滞回性能研究,其中2榀框架的支撑部分填充了泡沫铝材料,主要考察支撑填充泡沫铝后对框架整体滞回性能的影响。通过对试验所得的P-Δ滞回曲线和骨架曲线进行分析,表明:支撑部分填充泡沫铝后,框架整体承载能力提高,支撑的屈曲破坏滞后甚至不出现屈曲,滞回曲线饱满,没有发生明显的捏缩现象。本文研究的框架具有良好的滞回性能和耗能能力。     

大尺寸超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧滞回性能

利用2种镍钛形状记忆合金(SMA)研制了大尺寸超弹性螺旋弹簧,对其进行了单轴反复荷载作用下的滞回性能试验,研究了超弹性SMA螺旋弹簧的恢复力特性与耗能能力,分析了加载频率、位移幅值对2种SMA螺旋弹簧滞回曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移等力学性能参数的影响;采用刚弹性模型和Bouc-Wen模型,建立了适用于整体结构分析的SMA螺旋弹簧简化恢复力模型,并利用该模型进行了数值模拟。结果表明:超弹性SMA螺旋弹簧具有稳定的滞回曲线,且具有良好的复位性能和大变形能力,可用于结构自复位控制装置的研发;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化恢复力模型的正确性。     

方形转动摩擦阻尼器滞回性能研究

提出了方形转动摩擦阻尼器的理论滞回模型,推导了滞回曲线理论计算公式并对公式的适用条件加以限制,通过低周往复试验和数值模拟,对该阻尼器的理论模型及计算公式进行了系统性的验证。结果表明：方形转动摩擦阻尼器的理论滞回曲线与试验结果、数值模拟结果在加载位移区间为(-30mm, 30mm)内吻合性较好;滞回曲线近似呈喇叭形,曲线饱满,表明该阻尼器具有较强的耗能能力;当方形转动摩擦阻尼器耗能端预紧力较小或摩擦片材料摩擦系数较小时应考虑加载端的摩擦力影响,并对理论计算公式进行进一步修正,为类似工程提供借鉴。     

木质变摩擦阻尼器滞回性能的试验研究与理论分析

基于对摩擦阻尼器材料及构造的改进,研制了一种木质变摩擦阻尼器。对9个不同参数的木质变摩擦阻尼器试件进行了低周反复荷载试验,研究了阻尼器的滞回性能,分析了摩擦块的坡度、螺栓预紧力等因素对阻尼器耗能性能的影响。根据木质变摩擦阻尼器的构造特点及工作原理,建立了其力学分析模型,确定了适用于该摩擦阻尼器的滞回规则和相应的滞回模型,并利用试验数据对滞回模型进行了验证。研究结果表明：木质变摩擦阻尼器的输出力在大变形时显著提升,滞回曲线较为饱满,具有分阶段耗能的特点,表现出稳定且良好的耗能性能;木质变摩擦阻尼器的耗能能力与木质摩擦块坡度和螺栓预紧力呈正相关。建立的滞回模型能较准确地反映木质变摩擦阻尼器的工作性能,理论与试验滞回曲线吻合较好。     

典型宋式斗栱试验骨架曲线特征和滞回性能分析

古木结构建筑遗产具有极高的历史、文物、艺术和科学价值,其地震安全性能评估工作亟待开展。斗栱是我国古木结构建筑中特有的构件,其受力性能是研究的重点难题。对4种、27个典型宋式斗栱试验数据进行了收集整理分析,明确了影响斗栱骨架曲线和耗能能力的关键因素。研究结果表明:(1)不同类型的斗栱在骨架曲线和破坏模式上有不同的表现;(2)不同的水平荷载加载方向对同一种斗栱的承载力和耗能能力有较大影响,叉柱造柱头铺作华栱向的承载力要比泥道栱向高33.77%;(3)竖向荷载大小对斗栱的刚度和承载力有一定影响,竖向荷载越大,斗栱的刚度和承载力越大;(4)同一种斗栱不同营造形式对其受力性能有不同程度的影响。研究成果可为古木建筑遗产的抗震性能评估提供重要参考。     

两边连接竖向加劲钢板剪力墙滞回性能研究

两边连接竖向加劲式钢板剪力墙是一种新的结构形式,其优势很独特.运用ANSYS对跨高比L/H为0.5-1.5的75组单片墙的滞回性能进行参数化分析,详细归纳总结了滞回性能几个主要指标（滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数、刚度衰减系数）随着跨高比、板厚、加劲肋效应的变化规律.分析结果表明：跨高比越大滞回曲线捏缩效应表现得越明显,板厚越小捏缩现象出现得越早;能量耗散系数绝大多数随着跨高比的增大呈现降低的趋势;同一跨高比构件刚度随着板厚的减小而降低,同一板厚的构件刚度随着跨高比的增大而增大;增强加劲肋对钢板墙耗能能力的提高有一定的贡献,对于提高钢板墙刚度的效果不明显.     

不同轴压比下碳纤维混凝土柱滞回性能研究

采用C30混凝土按碳纤维体积掺量2‰进行配合比设计,制作了3个试验试件柱,对其进行水平低周往复加载,分析其在轴压比0.4、0.5、0.6下试件的滞回曲线、骨架曲线及位移延性系数;同时采用ABAQUS软件对碳纤维混凝土柱的滞回性能进行有限元分析,得到碳纤维柱的滞回曲线和应力云图。结果表明,轴压比的变化对试件滞回曲线的饱满程度影响不大,不同轴压比下试件的滞回曲线均比较饱满,没有出现捏拢现象,到达极限承载力后,曲线下降平缓;随着轴压比的增大,试件的极限承载力降低,所对应的极限位移和延性系数均减小。采用ABAQUS软件模拟得到的曲线与试验所得曲线吻合较好。     

半刚接钢框架-钢板剪力墙结构滞回性能的有限元分析

为研究半刚接钢框架-钢板剪力墙结构(Partially-restrained Steel Frame Steel Plate Shear Wall)的抗震性能,利用经试验验证的双向等效拉杆模型分析了低周往复荷载作用下梁柱半刚性连接对强、弱框架SPSW结构滞回性能、承载力、刚度、耗能能力的影响.分析结果表明:SPSW结构的滞回曲线具有双重特征,当周边钢框架较强时,滞回曲线趋于饱满;当内填剪力墙板较强时,滞回曲线趋于捏缩.随着节点抗弯承载力的增加,强、弱框架的SPSW结构的滞回性能趋于饱满,耗能能力增强,水平承载力呈增大趋势,但对强框架SPSW结构的影响程度大于弱框架SPSW结构.节点抗弯承载力对强框架SPSW结构的抗侧刚度影响较大,对弱框架SPSW结构抗侧刚度影响相对较小.     

不同参数对方钢管混凝土柱滞回耗能的影响

方钢管混凝土柱（CFST,Concrete Filled Square Steel Tubular）抗震性能优越,影响其抗震性能的参数有：长细比、轴压比、幅厚比,且这种影响是相互耦合的.通过正交比较分析的方法,利用有限元软件ABAQUS对19根CFST进行数值模拟分析,研究了不同参数对CFST滞回耗能的影响.总体上CFST在低周反复水平荷载作用下滞回曲线饱满,在柱屈服以后承载力并没有明显的下降.CFST具有良好的耗能能力,抗震性能优越.幅厚比对CFST滞回耗能影响最大,轴压比次之,长细比在一定范围内有一定的影响.     

腹板开椭圆孔耗能支撑滞回性能试验研究

为了研究腹板开椭圆孔耗能支撑的滞回性能,进行了3个支撑试件的低周往复加载试验,研究支撑长细比和耗能腹板长度对这种支撑耗能能力和滞回性能的影响,得到试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、延性系数、等效黏滞阻尼比等。试验结果表明：在低周往复荷载作用下,腹板开椭圆孔耗能支撑依靠腹板开孔板件进入塑性耗散能量。耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,初始刚度较高。孔间板件断裂破坏导致耗能支撑试件失效,试件呈现延性破坏。试验过程中,中部工字钢保持弹性状态,没有进入塑性。相同长细比下耗能腹板的长度越长,耗能支撑滞回曲线越饱满,变形能力、承载能力和等效黏滞阻尼比越大。建立了ABAQUS有限元分析模型,有限元分析结果与试验结果吻合良好,可以有效模拟腹板开椭圆孔耗能支撑的滞回性能。     

开斜槽钢板剪力墙的滞回性能

为寻求适用于自复位结构且具有显著捏缩滞回特征抗侧力部件,对单向斜槽钢板剪力墙(steel plate shear wall with inclined slots,IS-SPSW)、双向IS-SPSW及传统薄钢板剪力墙(traditional thin steel plate shear wall,TT-SPSW)的滞回性能进行了研究。分析了剪力墙板高厚比、跨高比参数对IS-SPSW滞回性能、水平承载力、抗侧刚度、耗能能力的影响,对比了双向IS-SPSW与TT-SPSW滞回性能的差异。分析结果表明,随剪力墙板高厚比的增加,单向IS-SPSW的水平承载力、抗侧刚度、耗能能力呈降低趋势。剪力墙板跨高比对单向IS-SPSW的水平承载力影响较大,对其滞回曲线、抗侧刚度及耗能能力几乎无影响。与TT-SPSW相比,对称布置的双向IS-SPSW具有显著捏缩的滞回特征和较高的水平承载力,非常适合作为自复位结构的主要抗侧力构件,可降低对复位部件用量的需求。     

非线性结构荷载—位移数值拟合

针对在分析非线性结构体系的荷载—位移关系时数值拟合的重要性,运用Richard-Abbott模型和滞回模型对单调加载荷载位移曲线和低周反复加载滞回曲线进行了拟合,从而反映出房屋刚度退化及滞回环捏拢现象。     

改进孔腹板耗能支撑滞回性能分析

腹板开孔耗能支撑具有良好的滞回性能,在设防地震作用下可避免传统中心支撑杆件失稳。为了充分发挥孔间板件的耗能性能,对耗能支撑腹板的开孔形式进行了改进。利用有限元软件分析对比了改进孔腹板耗能支撑与其他开孔形状腹板耗能支撑的耗能能力,并分析了耗能短柱长度、耗能短柱个数和开孔腹板厚度等设计参数对耗能支撑滞回性能的影响。分析结果表明:改进孔腹板耗能支撑应力分布均匀,能够通过全截面屈服进行耗能,滞回曲线更加饱满,承载力更高,可以作为耗能支撑腹板的合理开孔形式。支撑的承载力与刚度取决于耗能短柱个数与腹板厚度,开孔长度越长,试件的变形耗能能力越好。给出了改进孔腹板耗能支撑初始刚度、屈服承载力和极限承载力计算公式,可供实际工程参考。