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。     

带软钢阻尼器的自复位装配式混凝土框架节点抗震性能研究

为摆脱目前装配整体式混凝土框架“等同现浇”的固有模式,结合传统预应力自复位混凝土框架的优越性,提出一种带软钢阻尼器的自复位装配式混凝土(SCPCHD)框架。利用ABQUAS有限元软件分别建立新型自复位SCPCHD框架、传统预应力自复位装配式混凝土(SCPC)框架和现浇钢筋混凝土(RC)框架的精细化三维实体数值分析模型,从而验证新型SCPCHD框架良好的抗震性能和耗能能力。分析结果表明：SCPCHD框架残余变形很小、具有震后恢复性能好的优点;SCPCHD框架的层间位移响应明显小于SCPC框架,与现浇RC框架基本接近,且结构构件塑性损伤小;罕遇地震下SCPCHD梁柱节点的耗能分别为传统预应力SCPC框架和现浇RC框架节点耗能的2.26倍和3.64倍,表明新型节点耗能能力好。     

关于抗剪钢筋对预压装配式节点抗震性能影响的研究

在已有装配式混凝土框架结构的基础上,提出了一种新型装配式不对称混合连接节点(PPEFF节点)。此节点梁纵筋呈不对称设置,仅在梁上部设置耗能钢筋,节点在满足较高施工效率的同时,在梁柱接触面上设置抗剪钢筋,提高了梁柱接触面承载力,保证了结构在节点预应力意外失效后的安全性。为了研究抗剪钢筋的配筋率大小对PPEFF节点抗震性能的影响,结合低周往复荷载试验与ABAQUS有限元软件模拟分析,重点从节点承载能力、耗能性能、刚度退化与自复位能力4个方面分析抗剪钢筋的配筋率大小对节点抗震性能的影响。研究发现：PPEFF节点具有较好的抗震性能,且抗剪钢筋的配筋率增大,能提升节点承载力、刚度、耗能能力。但抗剪钢筋的设置,提高了节点的截面刚度,在一定程度上抑制了节点的自复位能力,从而违背预压装配式节点自复位能力较强的初衷。因此,建议PPEFF节点中抗剪钢筋的配筋率宜设置为0.3%～0.5%。同时提出PPEFF节点梁柱接触面承载力计算式,并通过试验数据与模拟数据验证梁柱接触面承载力计算式的适用性。     

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。     

一种新型预应力软钢阻尼器的力学性能试验研究

针对传统软钢阻尼器焊接带来的不足,提出了一种新型构造的X形预应力弯曲型软钢阻尼器;将X形预应力弯曲型软钢阻尼器与传统焊接软钢阻尼器进行了试验对比,并通过ABAQUS建立对应的有限元模型进行了数值模拟.结果表明,新型X形预应力弯曲型软钢阻尼器的力学参数与试验结果吻合度较高,新型阻尼器滞回曲线较传统型更饱满,耗能能力更强.     

正交胶合木预应力剪力墙体系优化

正交胶合木预应力剪力墙体系主要由正交胶合木墙板、预应力筋和软钢阻尼器组成,相比于传统体系,其自复位性能好,耗能性能稳定。预应力体系由软钢阻尼器提供耗能能力,软钢阻尼器存在最优化问题,尺寸参数、钢号、数量和位置优化方案各有区别。此外,预张力大小也影响体系的耗能效率和自复位性能。故基于ABAQUS软件,采用数值模拟方法分析阻尼器参数对剪力墙体系耗能的影响,以及预张力对体系耗能和自复位的双重作用。结果表明,软钢阻尼器尺寸、钢号和数量存在最优组合,位置不影响。预张力分别存在耗能最优值和复位最优值。     

自复位混合连接节点抗震性能及影响因素分析

在分析已有文献试验数据的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了自复位混合连接框架节点数值模型,研究讨论该节点形式的承载力、自复位能力、耗能能力、位移延性等抗震指标,并把模拟结果与试验结果进行对比,以验证数值分析的可靠性。然后通过参数化数值分析,深入研究了不同弯矩贡献比和不同轴压比对节点抗震性能的影响。研究结果表明:随着耗能钢筋弯矩贡献比的增大,节点承载力逐渐增大,耗能能力增强,但柱顶残余变形增大;而柱端轴压比对节点初始刚度影响不大,但随着轴压比的增大,节点承载力呈现下降趋势。     

预应力自复位装配式混凝土框架节点抗震性能研究

提出一种新型装配式混凝土框架梁柱节点,其具有震后自主复位,低损伤等特点。为了解该新型节点的抗震性能,进行了新型装配式节点与现浇节点的拟静力对比试验研究,并与Open Sees有限元分析结果进行了对比。试验结果表明,新型装配式节点在梁端位移角达到1/18时,仍保持承载力不降低,结构构件基本完好,仅在梁端出现少量弯曲裂缝,且在荷载卸除后实现自主复位,裂缝基本闭合。有限元分析结果表明,该装配式节点的承载能力随初始预应力的增大而增大,同时也随耗能钢筋截面面积的增大而增大,耗能能力则主要来源于耗能钢筋。     

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。     

预应力全装配混凝土框架节点的抗震性能试验研究

通过对3个预应力全装配混凝土框架节点的拟静力试验,研究了普通钢筋的弯矩贡献(Ms)与总弯矩(Mpr)的比值、普通钢筋是否有无粘结段对节点抗震性能的影响;之后对其中2个节点进行修复,并重新进行拟静力试验,研究节点修复后的抗震性能.试验结果表明预应力全装配混凝土框架节点的破坏集中在节点区域的灌浆料垫层,梁柱基本没有破坏,梁身裂缝及核心区剪切裂缝较窄且均能闭合;预应力筋始终保持弹性,可实现节点的自复位性能;普通钢筋的弯矩贡献比越大,滞回曲线越饱满,耗能能力越强,但残余变形也越大;普通钢筋是否有无粘结段对节点的抗震性能影响较小;修复节点的破坏状态与未修复节点一致,破坏集中在节点区域的砂浆垫层;修复节点的抗震性能基本可以达到原节点的水平.     

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的理论分析

为减少钢筋混凝土框架在地震作用下的残余变形和损伤,提出一种新型的腹板摩擦式自定心预应力混凝土梁柱节点。其中,预制的钢筋混凝土梁柱通过无黏结预应力钢绞线进行拼接。当梁端弯矩超过节点的临界张开弯矩,梁柱接触面张开;震后,接触面在预应力的作用下重新闭合。梁柱的接触部位分别预埋钢套和钢板,以避免梁柱相对转动时混凝土的压碎。在梁端钢套的腹板处设置摩擦耗能件,从而可以在梁柱相对转动时耗散地震能。介绍腹板摩擦式自定心预应力混凝土梁柱节点的基本构造和受力特点,对梁端轴力、剪力、弯矩以及梁柱接触面张开后转动刚度的表达式进行推导,建立起梁端弯矩-相对转角关系的理论分析模型,并得到节点耗能系数和等效黏滞阻尼比的计算公式。理论分析结果与试验值吻合较好,为腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的设计提供了依据和参考。     

不同构造参数对弧形钢棒阻尼器性能的影响分析

为改善框架结构及底框结构梁柱节点的抗震性能,提出一种弧形钢棒阻尼器,介绍其构造和原理。设计12组不同构造参数的弧形钢棒阻尼器,采用ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究截面形状、钢棒数量、截面尺寸、跨度、曲率半径对其滞回耗能能力、承载力特性的影响。研究结果表明:圆形截面弧形钢棒阻尼器的初始刚度、耗能量、等效黏滞阻尼系数略小于方形截面弧形钢棒阻尼器,但其屈服位移较小;单棒布置的阻尼器的耗能效果优于双棒布置的阻尼器;随着阻尼器截面尺寸的增大,阻尼器的初始刚度、耗能量、等效黏滞阻尼系数增加明显,屈服位移呈先减小后增加的趋势;随着阻尼器跨度的增大,初始刚度和等效黏滞阻尼系数总体上呈下降趋势,屈服转角呈上升趋势;随着阻尼器曲率半径的减小,阻尼器的耗能量、等效黏滞阻尼系数、初始刚度逐渐减少,但屈服转角逐渐增大。     

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。     

Experimental investigation of a self‐centering precast concrete beam‐to‐column connection with top and bottom friction energy dissipaters

The new friction material, non‐asbestos organic, and Belleville springs are applied to the friction energy dissipaters (FEDs) to improve its friction performance. The new high‐performance FEDs are placed in the top and bottom parts of the self‐centering precast concrete (SCPC) beam‐to‐column connections, which have inherently reduced residual deformation caused by posttensioned tendons, to enhance energy dissipation efficiency. Besides, the reasonable design of the connection between FEDs and backbone members makes it easy for the disassembly of all members, which significantly enhances the repair efficiency after a major earthquake. Theoretical analyses and 14 tests were performed on a full‐scale specimen, which were assembled two times, and the friction pads were replaced one time, to investigate the effects of various parameters on the performance of such FED‐SCPC beam‐to‐column connections. The influence of key design parameters on the hysteretic behaviors, such as stiffness, loss of posttensioned tendons force, self‐centering capacity, and energy dissipation capacity, has been analyzed. The test results indicate that the FED‐SCPC beam‐to‐column connections can achieve significant and reliable energy dissipation levels while maintaining self‐centering capabilities. The experimental and theoretical results can provide certain references for the seismic design and assembly of such structures.     

Self‐centering viscoelastic diagonal brace for the outrigger of supertall buildings: Development and experiment investigation

This paper aims to improve the seismic performance of outriggers within supertall buildings and eliminate the defects of obvious degradation of stiffness, low energy dissipation capacity, and large residual deformation after the buckling of traditional diagonal members by presenting a new type of outrigger. The traditional profiled steel diagonal member is replaced with a self‐centering viscoelastic diagonal brace (SC‐VEDB) in the proposed outrigger, providing enhanced energy dissipation and self‐centering capacity. The new SC‐VEDB is composed of the inner and outer steel tubes, viscoelastic materials, and prestressed tendons. Energy dissipation capacity is produced by the shear deformation of viscoelastic materials, whereas prestressed tendons provide the self‐centering capacity. The working mechanism of SC‐VEDB is first theoretically analyzed. Following this, two specimens with a length of 2.2 m were designed, fabricated, and tested under low cyclic reversed loadings within different frequencies and pretension forces. The results confirm that the hysteretic curve of SC‐VEDB has a typical flag shape, which imparts the stable stiffness, good energy dissipation, and self‐centering capacities. The activation force of SC‐VEDB is mainly determined by the initial pretension force, and the post‐activation stiffness predominantly depends on the stiffness of the prestressed tendons. Moreover, SC‐VEDB has better repairability, and the initial hysteretic behavior of the component can be quickly recovered by replacing the damaged prestressed tendons. A refined finite element model for SC‐VEDB is established to predict its hysteretic behavior, and the numerical simulation corresponds well with the experimental results. The maximum relative error of the initial elastic stiffness and ultimate strength is approximately 4.6% and 1.3%, respectively, which verifies the accuracy of the SC‐VEDB numerical simulation method.     

基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

为提高建筑结构抗震韧性,实现震时响应可控,震后易修复的性能目标,提出一种基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器,给出一种基本构造方案,分析阻尼器不同阶段的工作原理,理论推导滞回曲线及各阶段刚度、承载力计算公式。通过多次往复加载试验,对碟簧和摩擦片的基本性能,以及多次地震作用下阻尼器的滞回性能和低周疲劳性能进行了考察。试验结果表明,高强钢碟簧性能稳定,复合摩擦材料耗能能力优异;基于两者组合的自复位消能减震阻尼器具有良好的可调节刚度、承载力以及优异的自复位性能;阻尼器滞回耗能稳定,可实现震后功能恢复,低周疲劳性能好。提出的阻尼器工作过程中各阶段刚度及承载力计算公式与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

自复位耗能支撑研究综述与展望

自复位耗能支撑具有良好的复位和耗能能力,能够控制结构地震响应、减小结构震后残余位移角,同时为结构提供附加耗能能力,降低主体结构的损伤。自复位耗能支撑凭借其抗震性能优越和施工安装便捷等特点,成为可恢复功能结构的研究热点之一。在回顾了自复位阻尼器装置研究的基础上,阐述了初代自复位耗能支撑的基本组成和工作原理,总结其相关试验研究。以改善初代自复位耗能支撑的工作性能为目标,归纳了近10余年自复位耗能支撑在提高轴向伸长能力、创新耗能装置、降低预应力水平三个方面的研究进展和成果,分析了目前存在的动力可靠性和不确定性研究不足、滞回性能有待进一步改善、复位材料使用受限等问题,并指出自复位耗能支撑的未来研究方向。     

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架基于性能的抗震设计方法

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架可以实现结构在地震作用后的自动复位并减少梁柱节点区的损伤。在已有理论分析和试验研究基础上,对该结构体系的抗震设计方法进行研究。定义结构的抗震性能水准、地震动作用水准和结构的极限状态,确定自定心结构的抗震设计目标。建立自定心框架结构的抗震设计方法,包括梁柱的截面尺寸选择、配筋、预应力和摩擦力的确定等。以1榀4跨6层的腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架为例,进行基于性能的抗震设计,并选用7条地震波进行非线性动力时程分析。分析结果表明：应用此方法设计的结构在地震作用下的位移、弯矩、应变等响应与给定的性能设计目标较为一致,验证了方法的有效性,且所设计的结构具有良好的自定心能力和耗能能力。     

初始扭矩下全装配预应力混凝土梁端界面弯扭性能试验研究

为了研究初始扭矩作用下全装配预应力混凝土矩形截面梁端界面的弯扭性能,设计了2组共8个不同配筋及不同初始扭矩的装配式预应力混凝土梁柱边节点,并对其进行拟静力试验。对比研究梁端的受扭变形和承载力、裂缝分布特征以及受弯滞回性能等。结果表明：屈服位移角后,随着位移角增加,梁端界面耗能钢筋屈服耗能,受压区高度减小,界面受扭承载力降低,界面受扭承载力主要由界面预应力筋作用下的静摩擦力承担;界面抗扭失效后的扭转变形不可恢复,扭转变形随着位移角的逐级循环加载而累积增加;扭弯比为0.02、0.04和0.06的扭矩作用时,抗扭失效后的扭转变形导致耗能钢筋剪弯变形,其对极限位移角下的梁端受弯滞回性能和自复位性能有不利影响,但影响较小;增加耗能钢筋配筋量不能有效提高节点屈服后的界面受扭性能,增加预应力筋配筋量能提高极限位移角下的界面受扭承载力,但承载力较低。