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。     

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。     

中间柱摩擦阻尼器预应力钢框架静力推覆试验研究

为研究跨度较大的预应力钢框架结构的可恢复功能,提出了具有可恢复功能的中间柱设有摩擦阻尼器的预应力钢框架体系,给出了中间柱摩擦阻尼器的典型构造。设计了一个8层原型结构,对底部两层平面框架子结构进行了静力推覆试验,同时采用ABAQUS有限元软件对试验进行了数值模拟。结果表明：中间柱的摩擦阻尼器在提高框架结构刚度的同时,还提高了结构的耗能能力;结构除梁翼缘加强板和柱脚翼缘出现塑性变形以外,其他主体结构始终保持弹性工作状态;第1、2层框架的层间剪力 位移滞回模型分别呈梭形和弓形。卸载后的检测结果显示,钢绞线的预应力损失很小,为结构提供了良好的自动复位和恢复结构功能的能力。     

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。     

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。     

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。     

装配式夹心剪力墙结构抗震性能研究

夹心剪力墙包含夹心段和暗柱,在装配式夹心剪力墙结构中只考虑暗柱区域的竖向连接。为了研究采用不同连接形式的装配式夹心剪力墙结构的抗震性能,设计了3种连接形式,即湿式连接、干式刚性连接和摩擦耗能连接,并对3种连接形式的装配式夹心剪力墙结构进行了拟静力试验。结果表明：采用湿式连接和干式刚性连接的结构抗震性能基本一致,两者都主要依靠底层的塑性变形耗散能量;夹心构造改变了传统低矮剪力墙容易发生剪切破坏的模式,该类剪力墙主要发生弯曲变形及破坏;在采用摩擦耗能连接的结构中,混凝土结构主体在加载结束时仍保持弹性工作状态,刚度和承载力均较采用刚性连接结构的低,累积耗能未降低,摩擦耗能连接件达到了耗散地震能量和保护混凝土结构主体免遭塑性破坏的目的,底层水平缝处的连接件依靠水平缝的开合位移耗散能量,竖缝处的连接件依靠竖缝两侧墙体的相互错动位移耗散能量;采用摩擦耗能连接的结构需要额外的预应力增大其自复位能力。另外,建立了数值分析模型,采用分层壳和桁架单元分别模拟夹心剪力墙和接缝处的连接件,模拟分析的滞回曲线和主应变分布与试验结果吻合较好,该数值分析模型可用于模拟装配式夹心剪力墙结构在地震作用下的响应。     

装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑抗震性能理论分析

提出了一种具有简单构造形式、既能在震后为结构提供回复力,又能避免索体预应力损失的装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑,并对该支撑的抗震性能进行了理论分析。结果表明：该支撑在加载过程中无刚度退化现象,滞回曲线呈四边形状,曲线饱满且耗能规律稳定|支撑复位停止后,放松黄铜-槽孔钢摩擦板耗能器中高强螺栓,可使支撑继续复位至位移零点,该支撑具有很好的复位功能。     

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。     

位移放大型摩擦阻尼器减震结构的抗震性能研究

为了确保在输入位移较小时,阻尼器仍能发挥良好的耗能能力,设计了一种基于齿轮传动的位移放大型摩擦阻尼器。对该阻尼器进行拉压循环力学试验,研究位移幅值对其滞回性能的影响,指出位移放大型摩擦阻尼器的滞回曲线饱满,其输出力是普通摩擦阻尼器的η倍(η是大齿轮与小齿轮直径之比),故耗能能力更强。以一六层规则钢框架结构为算例,计算无控结构、普通摩擦阻尼器减震结构和位移放大型摩擦阻尼器减震结构的地震响应,结果表明：与普通摩擦阻尼器相比,位移放大型摩擦阻尼器可更好地控制结构的层间位移角和顶点位移,但二者对结构基底剪力的控制效果接近。     

装配式自复位摇摆钢框架抗震性能研究

为了减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏,提出了具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理。设计并加工了一榀缩尺比例为1/4的摇摆钢框架,对其进行了低周反复加载试验和有限元模拟,研究其抗震性能。结果表明：利用复合组合碟形弹簧的弹性恢复力能够实现柱脚在强震作用下的可控摇摆,通过梁柱节点的消能减震装置有效控制了结构的累积损伤与残余变形;摇摆钢框架的滞回曲线是较为饱满的旗帜形,表明其具有较好的自复位性能和耗能性能;在加载至层间位移角1/30时,梁柱节点和柱脚没有发生任何屈服或屈曲,主体结构保持为弹性,损伤与破坏集中在消能减震装置处,拆卸和更换消能减震装置后,再加载曲线与原曲线基本吻合,有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标;有限元的模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立的有限元模型能够较好地模拟摇摆钢框架在循环加载时的滞回性能。     

装配式自复位摇摆钢框架的恢复力模型

传统的钢框架结构在强烈地震作用下梁端和柱脚通常会出现塑性铰,导致结构产生较大的塑性变形。为此,提出了一种装配式自复位摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理,通过理论分析建立了该结构的恢复力模型。设计了单层和双层的传统钢框架结构模型和装配式自复位摇摆钢框架结构模型,通过有限元软件ABAQUS对结构模型的滞回性能进行了有限元分析。对比研究表明：采用所建立恢复力模型的计算结果与有限元分析结果吻合较好,验证了恢复力模型的正确性;装配式自复位摇摆钢框架模型在循环荷载作用下滞回曲线为旗帜形,具有良好的自复位性能;当加载至层间位移角0.02rad时,装配式自复位摇摆钢框架的梁柱节点和柱脚无塑性铰出现,结构基本无损伤,而传统钢框架结构受损严重。     

自复位装配式钢-混凝土混合框架节点抗震性能试验研究

结合装配式梁、柱构件螺栓连接施工便捷的特性与后张预应力筋预压连接的抗震性能优势,提出一种自复位装配式钢-混凝土混合结构框架节点,该节点由钢筋混凝土柱和钢-混凝土混合梁通过高强螺栓拼装而成,主要通过后张梁内的无黏结预应力筋提供复位力,并通过摩擦耗能装置与钢梁段塑性变形进行耗能。共完成了5个边节点的低周往复加载试验,分别研究了混合梁内预应力筋的初始预拉力与摩擦装置中高强螺栓的初始预紧力对该节点承载能力、抗震性能、耗能能力和复位能力的影响。研究结果表明：试件表现出明显的两阶段滞回特性,第一阶段为钢梁段屈服前,混凝土梁与钢梁段接触面呈现出持续开合复位机制,滞回曲线呈现明显双旗形,复位效果明显;第二阶段为钢梁段屈服后,随着荷载增大,钢梁的塑性变形逐渐增大,滞回曲线趋于饱满,试件耗能能力显著增加。试件的峰值荷载、延性系数和累积耗能值随摩擦装置中高强螺栓的初始扭矩增大而增大,峰值荷载和复位能力随梁内预应力筋的初始预拉力增大而增大。在整个试验过程中,各试件梁、柱主体构件损伤不明显,基本实现震后可恢复。     

具自复位功能的同心斜撑构架耐震行为研究

一般而言,同心斜撑构架(CBF)通过对角配置斜撑来消散地震力。然而在地震过后结构物留下过大的残留变形,使得结构物难以修复。故该文对具自复位功能同心斜撑构架受震后可减少残留变形的可行性进行探讨。在类似的文件中,由于在梁柱接合处将两者分开,受地震时令梁端可在柱面上进行摇摆,而并没有引发任何损坏。提出通过梁翼板底部所安装的摩擦阻尼器或在斜撑上安装摩擦阻尼器或摩擦铰阻尼器,为验证此设计想法,该文设计一个实际尺寸的构架,此构架为单层单垮的同心斜撑构架,并在横向进行循环反复载重试验。而研究参数包含能量消散的形式不同或是位置不同与摩擦材料的不同,如磷青铜和黄铜。而试验的结果显示,具自复位功能同心斜撑构架可实现少量的残留变形与适当的耐震性能。由所有的试验可看出,使用磷青铜摩擦阻尼器的斜撑比其他形式斜撑消散较多能量。     

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。