可更换钢连梁抗震性能试验研究

通过拟静力试验,研究由跨中部消能梁段和两端非消能梁段组成的可更换钢连梁的抗震性能和震后可更换能力。试验共包括4个连梁试件,采用4种不同的消能梁段与非消能梁段连接方式,分别为端板-抗剪键连接、拼接板连接、腹板-螺栓连接、腹板-结构胶连接。试验结果表明：采用端板-抗剪键连接时,连梁的塑性变形和损伤集中在消能梁段,连梁的极限塑性转角可达0.06 rad,具有稳定的滞回耗能能力;采用拼接板连接或腹板-螺栓连接时,消能梁段剪切屈服,连接处摩擦型高强螺栓有不同程度的滑移,连梁的极限塑性转角也可达0.06 rad;采用腹板-结构胶连接时,连接处结构胶开裂导致连梁脆性破坏。在连梁转角为0.02 rad加载后对消能梁段进行更换,采用端板-抗剪键连接的试件更换时间最短,而腹板-螺栓连接的试件能在更大的残余转角时更换。此外,消能梁段在较大塑性剪切变形时伴有轴向变形,导致连梁试件承受较大轴力,连梁的轴力影响需要进一步研究。     

可更换钢连梁抗震设计方法

可更换钢连梁由跨中的消能梁段和两端的非消能梁段组成,梁段之间采用可拆卸的连接方式。相比传统钢筋混凝土(RC)连梁,可更换钢连梁塑性变形能力大、耗能能力强,且震后可快速修复,能提升高层建筑的抗震韧性。在总结已有研究的基础上,系统介绍了可更换钢连梁的抗震设计方法和构造措施,可为工程设计提供参考。具体包括:消能梁段和非消能梁段部件设计,消能梁段-非消能梁段连接设计,可更换钢连梁上部的RC楼板设计,可更换钢连梁-RC墙肢节点设计,可更换钢连梁的非线性分析模型和性能状态判别准则。最后,介绍了一栋高烈度区高层建筑应用可更换钢连梁的实例。     

可更换钢连梁的抗震性能研究

以3个钢连梁试件为对象,采用2种不同的连接方式以及变换可更换段钢梁的截面高度,对可更换钢梁的抗震性能进行了试验研究.在抗震试验中,将钢梁分为3段,并削弱中间段,使破坏发生在中间段.考察试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性性能、耗能性能等指标.试验结果表明:试验中3个试件均发生了破坏,在连接方式相同的情况下...     

钢连梁可更换消能梁段抗震性能试验研究

通过12个可更换钢连梁中消能梁段试件的拟静力试验,研究其抗震性能。试验参数包括腹板钢材类型、梁段长度、加劲肋布置方式和加载制度。试验结果表明：试件为剪切屈服型,破坏模式为加劲肋-腹板焊缝断裂或翼缘-端板焊缝断裂;试件的超强系数平均值为1.86,大于Popov等学者的建议值1.5;试件的极限塑性转角约为0.15 rad,远大于规范AISC 341-10规定的塑性变形限值0.08 rad;梁段腹板采用低屈服钢LY225代替Q235钢时,试件的极限塑性转角增大23%,试件的累积塑性转角增大52%;加劲肋单面布设或双面布设对试件的抗震性能影响不大,但加大加劲肋间距会导致腹板提前屈曲和试件承载力退化,建议低屈服钢消能梁段的加劲肋布置按照规范AISC 341-10和GB 50011-2010对一般消能梁段的规定。在剪切往复荷载作用下,试件的轴向位移由几何位移和塑性轴向变形两部分组成,试件的塑性轴向变形与其累积塑性转角成正比。     

设置可更换连梁的双筒体混凝土结构振动台试验研究

设置可更换连梁的结构,通过可更换连梁改变连梁塑性发展机制,将罕遇地震作用下的破坏集中于连梁中部可更换构件而两端连接梁保持弹性工作状态,震后更换损伤的构件便可快速恢复结构使用功能,符合可恢复功能结构的设计理念。设计制作两个1/5缩尺比的双筒体混凝土结构模型,通过振动台试验,对比研究了设置可更换连梁结构与普通连梁结构的结构振动特性及动力反应。结果表明,设置可更换连梁的结构前两阶自振频率随地震动幅值加大而下降的趋势一致;各楼层峰值加速度反应的变化规律基本相同,加速度放大系数基本保持一致;设置可更换连梁后结构的残余变形减小,震后残余位移最大值为1.26mm,对应的残余位移角最大值为0.14%,可恢复能力较好;混凝土连梁纵筋应变最大值始终比普通连梁结构小,可更换构件能够集中损伤,保证连梁混凝土部分完好;峰值加速度为0.8g的地震波输入前,墙根部纵筋应变减小。     

偏心支撑框架新型消能连梁腹板可更换研究

偏心支撑框架兼具纯框架延性好和中心支撑框架强度刚度高的优点,强震作用下结构的塑性变形主要集中在消能连梁,而其余部位保持在弹性阶段。结构中消能连梁的翼缘常与楼层板相连,会给消能连梁的更换带来困难。为此,提出将剪切型消能连梁的腹板移出,然后将腹板两端焊接端板,通过螺栓重新组成可更换新型消能连梁。该新型连梁主要由上、下翼缘板和可更换新型腹板组成。通过理论推导给出了可更换消能连梁弹性刚度、屈服承载力和剪切屈服型临界长度等关键参数的解析计算式,并通过有限元确认其准确性。此外,有限元分析也表明可更换消能连梁滞回曲线饱满稳定,耗能能力强,当连梁剪切变形逐渐增大时,新型腹板首先发生剪切屈服,然后发生全截面屈服,而上、下翼缘只有端部表面进入屈服,其余部分保持在弹性阶段,实现了消能连梁的主要损伤集中在新型可更换腹板上。     

剪切型消能连梁的塑性强化特性研究

该文对剪切型消能连梁的塑性强化特性展开了试验研究,并通过数值模拟分析不同参数对塑性强化特性的影响规律。研究表明轴向位移约束引起的附加轴拉力会提高连梁的塑性强化,且位移角越大时提高越明显。随着轴压力增大,连梁的塑性强化逐渐降低|轴拉力对连梁的塑性强化有一定提升,但轴拉比超过0.1后塑性强化值趋于稳定。腹板高厚比对连梁的塑性强化特性基本无影响|腹板宽高比、加劲肋间距和等效连梁长度系数eVp/Mp的减小将提高连梁的塑性强化|钢材强化应力的增大会显著提高连梁的塑性强化。最后,提出连梁塑性强化特性的理论预测方法,试验和数值验证表明该方法具有较高的准确性。     

带端板螺栓连接可更换耗能梁段的高强钢框筒结构抗震性能试验研究

为了改善传统钢框筒结构抗震性能较差的问题,提出了带端板螺栓连接可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS-RSLs).考虑耗能梁段长度和楼板的影响,设计了 3个2/3比例的单层单跨HSS-FTS-RSLs子结构试件,对这3个试件进行低周往复加载试验并进行耗能梁段的更换,研究HSS-FTS-RSLs的抗震性能和震后可更换能力.试验结果表明:带端板螺栓连接的子结构试件在地震作用下滞回曲线饱满,损伤主要集中于耗能梁段,具有良好的抗震性能;更换耗能梁段后不会影响结构的刚度和承载力以及连接处的传力性能,结构的可更换允许残余层间侧移为0.40％;楼板可以使结构的弹性刚度和承载力分别提高7.40％和5.21％,楼板损伤主要集中在耗能梁段与裙梁连接区域上方;剪切型耗能梁段在循环荷载作用下超强系数为1.63～1.81,最大塑性转角可达到0.15～0.21rad,呈现出良好的超强和变形能力;耗能梁段长度比e/(Mp/Vp)(其中e为耗能梁段长度,Mp、Vp分别为耗能梁段的塑性受弯承载力和塑性受剪承载力)越小,结构的刚度和承载力越高,耗能梁段的变形能力越强.     

带端板螺栓连接可更换耗能梁段的高强钢框筒结构抗震性能试验研究

为了改善传统钢框筒结构抗震性能较差的问题,提出了带端板螺栓连接可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS-RSLs).考虑耗能梁段长度和楼板的影响,设计了 3个2/3比例的单层单跨HSS-FTS-RSLs子结构试件,对这3个试件进行低周往复加载试验并进行耗能梁段的更换,研究HSS-FTS-RSLs的抗震性能和震后可更换能力.试验结果表明:带端板螺栓连接的子结构试件在地震作用下滞回曲线饱满,损伤主要集中于耗能梁段,具有良好的抗震性能;更换耗能梁段后不会影响结构的刚度和承载力以及连接处的传力性能,结构的可更换允许残余层间侧移为0.40％;楼板可以使结构的弹性刚度和承载力分别提高7.40％和5.21％,楼板损伤主要集中在耗能梁段与裙梁连接区域上方;剪切型耗能梁段在循环荷载作用下超强系数为1.63～1.81,最大塑性转角可达到0.15～0.21rad,呈现出良好的超强和变形能力;耗能梁段长度比e/(Mp/Vp)(其中e为耗能梁段长度,Mp、Vp分别为耗能梁段的塑性受弯承载力和塑性受剪承载力)越小,结构的刚度和承载力越高,耗能梁段的变形能力越强.     

Effect of replaceable coupling beams on damage of frame-core structures

为定量评估罕遇地震作用下结构的损伤程度,结合国内外抗震设计规范与相关研究成果,给出了较为实用的结构与构件地震损伤判别标准。综合分析认为结构最大瞬时层间变形角、残余变形以及各类构件的最大转角可以较为全面反映整体结构与构件的损伤情况,便于在结构抗震设计时应用。针对以剪切变形为主的构件特点,提出一种可更换连梁,并给出了相应的设计方法。算例分析结果表明：可更换连梁对结构侧向刚度影响较小,通过改善结构的耗能能力,减小结构在罕遇地震作用下的层间位移角与相应的破坏程度;采用可更换连梁后,核心筒剪力墙的受损程度明显降低,顶部残余变形显著减小;尽管可更换连梁的耗能段变形集中,但与其相连的混凝土梁段基本保持弹性状态;对于钢框架-混凝土核心筒混合结构,边框柱与边框梁在罕遇地震作用下的损伤程度均较低,可更换连梁对其影响较小。     

Application of replaceable coupling beams to RC structures

An innovative structural component, replaceable coupling beam (RCB), was developed and used in reinforced concrete (RC) structures to enhance the structural performance. During strong earthquakes, damage may occur in replaceable devices to prevent severe damage in primary structural parts, and the damaged devices could be replaced after earthquake. This paper introduces the theory and design method as well as the application of RCBs to RC structures. First, a practical design procedure for RCBs was proposed. Then, cyclic static tests of the RC shear walls with and without RCBs were conducted. At last, a systematical RCB application to RC structure was introduced, and dynamic analysis for the entire structures was performed. The results indicate that RCB has good seismic performance by concentrating damage in the replaceable devices, while the global responses of the structures with and without RCBs changed slightly. Dynamic properties of the real structure were measured through the ambient vibration test, and the test results further validated the dynamic analysis to some extent. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Seismic design and engineering practice of 10-story shear wall structure with replaceable viscoelastic coupling beams

Structures with replaceable energy-dissipating elements are attractive systems for improving building resilience. Damage in these structures is mainly limited to dissipating elements, which can be replaced after earthquakes. Among the energy-dissipating elements, viscoelastic dampers (VEDs) can dissipate energy even under small deformations while providing stable fatigue performances, which benefits high-rise buildings in resisting both wind and earthquake loadings. This paper presents the seismic design of an engineering practice of a 10-story shear wall building with replaceable viscoelastic coupling beams. A new type of viscoelastic material that has negligible frequency dependency is adopted to provide stable constraint for the wall piers. The design details, including VEDs, nonreplaceable segment, and the detachable connection, are exemplified. The numerical model of the replaceable structure is established and analyzed under dynamic loadings. Results confirm that the implementation of replaceable viscoelastic coupling beams improves structural seismic performance. The plastic rotation at the end of the coupling beam is significantly reduced up to 41.4% compared with the traditional coupled shear wall structure.     

三段式可更换耗能梁抗震性能及可更换性能分析

为了保证框架结构跨度较大时耗能梁的耗能能力和可更换性能,提出了一种中间段耗能的三段式可更换耗能钢梁。设计并制作了5根可更换耗能钢梁,通过拟静力试验,研究了耗能梁更换、耗能段与非耗能段连接方式、耗能段腹板类型及腹板钢材类型等对钢梁抗震性能的影响。研究结果表明：在地震作用下,三段式可更换耗能钢梁的耗能和损伤均明显集中在中间耗能段,而非耗能段处于弹性状态,震后通过更换中间受损耗能段即可快速恢复结构的使用功能;三段式可更换耗能钢梁的滞回曲线均较饱满,极限塑性转角约为0.1 rad,表现出良好的变形能力和耗能能力;腹板采用低屈服点钢或波纹钢时三段式可更换耗能钢梁的耗能能力更好;随着可更换钢梁塑性转角的增大,可更换耗能钢梁的荷载提高明显,超强系数均值约为1.67;更换耗能段时,相应的层间位移角为1/200～1/250,采用端板连接的三段式可更换耗能钢梁更换耗能段所需时间较短,而采用双槽钢连接的三段式可更换耗能钢梁能在更大的残余层间位移角时更换,具有较优的可更换性能。     

弯曲型摩擦钢桁架连梁(BFTCB)抗震性能研究

文章提出一种弯曲型摩擦钢桁架连梁(BFTCB),其主要利用位于下弦杆的摩擦装置的滑移代替下弦杆的塑性变形,从而保护钢桁架主体不发生破坏,同时由于摩擦装置具有良好的耗能能力,从而获得稳定的耗能能力。首先通过循环往复加载试验对弯曲型摩擦钢桁架连梁的变形及耗能能力进行研究。试验结果表明:连梁的梁端位移主要集中在摩擦装置的滑移上,弯曲型摩擦钢桁架连梁具有稳定的滞回行为。之后建立准确有效的有限元模型,并利用试验结果进行标定。通过有限元分析对弯曲型摩擦钢桁架连梁的受力机理以及摩擦装置的性能进行详细研究。通过有限元参数分析,研究不同摩擦起滑力、连梁跨高比对其抗震性能的影响,最后给出了弯曲型摩擦钢桁架连梁的承载力计算方法。