预应力混凝土T型柱框架结构性能研究

在深入研究预应力混凝土T型柱框架结构非线性有限元分析理论后,得到了描述预应力混凝土T型柱框架结构工作性能的方法,用FORTRAN 90编制相应的计算程序。用该程序进行大量的计算分析,分别在各种不同方式荷载作用下和不同的柱截面、跨度、柱纵筋量、梁预应力筋量等因素的情况下,对预应力混凝土T型柱框架结构体系结构性能进行了探讨研究。可为设计工作提供参考。     

留后浇带预应力混凝土结构施工短暂状况分析

施工期间的预应力混凝土结构是时变体系。通过预应力等效荷载分析和梁板柱混凝土结构的施工阶段受力分析,计算作用于预应力混凝土结构上的荷载。将留后浇带预应力混凝土梁模拟为弹性支座梁,研究了留后浇带预应力混凝土结构施工期间的力学性能。结果表明,预应力等效荷载和施工荷载直接影响预应力混凝土结构的施工安全。     

混凝土强度对预应力混凝土柱复位性能影响

为研究混凝土强度后张拉无粘结预应力混凝土抗震性能及自复位性能的影响,文中设计了 2根后张拉无粘结预应力混凝土柱和1个普通钢筋混凝土柱,对3根柱子进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验,探究混凝土强度对无粘结预应力混凝土柱的滞回曲线、骨架曲线、刚度、延性、自复位等性能的影响.结果表明在普通混凝土柱中加入无粘结预应力筋可有效地减小柱的残余变形,混凝土强度的提高会导致预应力混凝土柱耗能性能及延性降低,刚度及自复位能力提高.     

不同黏结条件下SMA驱动混凝土柱轴压试验研究

对相同混凝土配合比的5组混凝土柱(1组全黏结SMA(形状记忆合金)驱动混凝土柱,1组半黏结SMA驱动混凝土柱,1组无黏结SMA驱动混凝土柱,1组全黏结SMA未驱动混凝土柱,1组素混凝土柱)进行了轴压试验研究,比较分析了5组混凝土柱的纵向应变、横向应变、极限荷载、裂现荷载等轴压性能.结果表明:SMA混凝土柱抗裂性能大小顺序为:半黏结SMA驱动混凝土柱＞全黏结SMA驱动混凝土柱＞无黏结SMA驱动混凝土柱＞全黏结SMA未驱动混凝土柱;SMA混凝土柱的极限荷载大致相等,并且都比素混凝土柱大;SMA螺旋箍筋与混凝土半黏结将有利于SMA螺旋箍筋对混凝土柱施加预应力;可利用SMA螺旋箍筋对混凝土柱施加较大的预应力,实现对混凝土柱的变形控制.     

珠海航展中心主展馆工程预应力混凝土柱抗拉弯性能分析

在台风作用下,大跨度屋盖会产生较大吸力,同时支承柱也承受着风荷载水平推力,出现拉弯受力状况.此时柱子会出现裂缝,刚度降低,水平位移增大,对于悬臂柱P-D效应更加明显,恢复性能变差.针对以上现象,以珠海航展中心主展馆为例,提出一种后张有粘结预应力混凝土柱,采用有限元软件分析其在拉弯荷载下的力学性能,考虑了轴拉比、混凝土强度、配筋率以及预应力钢绞线与普通钢筋比值等因素.分析结果表明,试件抗拉弯承载力随着轴拉比的增大而降低;混凝土强度越高,配筋率越大,承载力则越高;当预应力度不大于0.2时,有较好的耗能性能.     

预应力碳纤维布加固混凝土方形截面短柱轴心受压试验

为了研究预应力碳纤维(CFRP)布加固混凝土方形截面短柱轴心受压力学性能,根据配筋率的不同设计了3组共计12根混凝土方形截面短柱,每组包括3根预应力CFRP布加固的混凝土柱和1根普通混凝土柱。通过静载试验获得了各试件受压极限承载力、位移和预应力CFRP布应力增量等试验数据,得到了荷载作用下试件变形曲线及破坏形态,分析了预应力CFRP布应力水平和纵筋配筋率对混凝土方形截面短柱加固后的力学性能的影响。研究结果表明:采用预应力CFRP布约束混凝土柱一方面能够限制混凝土横向变形,使柱中混凝土从加固时刻起即受到环向应力,提高了混凝土极限压应变,从而显著提高柱的极限承载力,承载力提高幅度在60%以上;另一方面,由于受压柱的延性与截面配筋率有关,加固柱配筋率较低时,延性较好;反之则延性较差。     

预应力混凝土斜交梁柱节点抗震性能试验研究

为确保大悬挑预应力混凝土斜交梁柱空间框架结构的抗震性能,通过模型试验,研究了2个预应力梁、柱节点试件的抗震性能.试验过程中研究了试件在混凝土开裂时各阶段的现象,并考虑了P-△滞回曲线、P-△骨架曲线、位移延性与变形能力、耗能能力等多种参数的影响.试验证明,预应力混凝土斜交梁柱节点在水平荷载作用下满足抗震要求和设计规范,可应用于工程中.     

预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱抗震性能试验研究

为了研究预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱的抗震性能,进行了7个钢筋混凝土圆柱试件的低周反复荷载试验,其中1个为设计轴压比0.82的未加固对比柱试件,另外6个为不同高轴压比下的预应力碳纤维条带加固柱试件,主要考虑了环向预应力和轴压比两种参数对加固柱抗震性能的影响。研究结果表明：采用预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱后,其承载力、延性性能、耗能能力均有大幅度提升;预应力纤维条带提供的环向主动约束力能够有效抑制斜向剪切裂缝的开展,加固后高轴压比圆柱呈现出弯曲破坏特征;采用试验数据回归分析方法,得到了预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱极限荷载点位移 Δm计算式,计算结果与试验结果吻合较好。     

预应力CFRP布加固负载混凝土柱轴心受压性能研究

为开展轴心压力作用下预应力碳纤维增强复合材料（CFRP）布加固负载圆形截面混凝土短柱力学性能研究,设计制作了11根圆形截面混凝土短柱,其中1根普通混凝土柱为对比柱,其余10根混凝土柱在负载与非负载2种情况下分别利用预应力CFRP布或非预应力CFRP布进行加固。通过轴心加载试验,获得了各试件极限荷载、轴向变形、材料应力变化等试验数据。基于试验数据分析了试件轴心压力作用下的力学性能。结果表明:与普通混凝土柱相比,利用预应力CFRP布加固的负载混凝土柱在二次受力过程中其屈服荷载有显著提高,且提高幅度与CFRP布预应力水平成正比,但极限承载力与CFRP布的预应力水平无关;利用预应力CFRP布加固的负载混凝土柱延性性能有显著提高。     

预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱抗震性能试验研究

预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱是充分利用钢管混凝土叠合柱和预应力钢带约束柱的优点所开发出来的具有良好抗震性能的新型组合柱,为探究钢管约束内部混凝土和预应力钢带约束外部混凝土对柱抗震性能的改善规律,开展4个预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱试件和2个未采用预应力钢带约束的普通钢管混凝土叠合柱试件的拟静力试验,研究预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱在低周反复荷载作用下的破坏机理、破坏形态、滞回性能、位移延性、骨架曲线、耗能性能、刚度退化以及钢带应变变化等受力性能,分析了钢带间距、箍筋布置对预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱抗震性能的影响规律。研究结果表明:预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱具有良好的延性、变形能力和耗能性能,相对普通钢筋混凝土柱和普通钢管混凝土叠合柱具有更加良好的抗震性能。     

SMA环向预应力结构原理研究

基于混凝土的轴向抗压强度是随另外两向应力的增加而增加的原理,以形状记忆合金的形状记忆效应为基础,提出一种新型的预应力结构——SMA环向预应力结构,并提出SMA环向预应力结构在应用推广之前必须解决的问题以及研究方向。     

预应力SMA丝约束混凝土柱轴压性能试验研究

为研究具有预应变的SMA约束混凝土柱的轴压性能,文章通过8个SMA约束混凝土柱试件的轴压对比试验,分析不同加固量、预应变水平及增强形式对混凝土柱轴向承载能力和变形能力的影响。结果表明：预应变超弹性SMA丝的约束作用使混凝土柱由脆性破坏向延性破坏转变;混凝土柱的极限承载能力随着SMA丝加固量和预应变的增加而提高;峰值变形受SMA丝加固量的影响较大,而受预应变的影响较为有限;SMA/FRP复合约束能够显著提高混凝土柱的承载能力,但峰值变形影响不大。新型超弹性SMA约束混凝土柱研究结果可供今后类似工程结构修复加固和抗震设计提供参考。     

NiTi形状记忆合金电阻特性研究

建立了NiTi形状记忆合金的电阻特性模型,分析了不同温度条件下, NiTi形状记忆合金不同相的电阻相对变化与应变之间的关系.对NiTi形状记忆合金丝的电阻特性进行了试验研究,验证了该模型的有效性.当利用NiTi形状记忆合金制作传感元件时,应根据使用条件来确定NiTi形状记忆合金的相变温度.     

NiTi合金球节点在抗震网架结构中的力学性能分析

NiTi形状记忆合金（简称SMA）的材料性能优越,但对其球节点球形式的应力、应变分布规律及承载力等方面的研究还是一片空白。该研究中,以唯象学模型为基础,选用双线性等向强化塑性模型,并使用等向强化屈服准则,分析了静荷载和地震波两种类型荷载,得出：（1）SMA材料球节点弹性变形大,可较好地缓解外荷载所带来的破坏影响;（2）SMA球节点具有良好的延展和韧性特性,是一种典型的延性结构体系;（3）SMA球节点可有效地抑制球节点结构在地震荷载下的响应。     

Computational studies on the seismic response of the State Route 99 bridge in Seattle with SMA/ECC plastic hinges

This paper reports a computational study on the seismic response of a three-span highway bridge system incorporating conventional and novel substructure details for improved seismic performance. The bridge has three continuous spans supported by two single-column piers and integral abutments founded on drilled shafts. It will be the first full-scale highway bridge to use superelastic shape memory alloy bars (SMA) and engineered cementitious composite (ECC) to mitigate column plastic hinge damage and minimize residual displacements after a strong earthquake. A three-dimensional computational model capturing the nonlinear constitutive response of the novel materials and the effects of dynamic soil-structure interaction was developed to assess the seismic response of the bridge in finite-element software OpenSees. Two versions of the same bridge were analyzed and compared, one with conventional cast-in-place reinforced concrete columns, and the other with top plastic hinges incorporating Nickel-Titanium (NiTi) SMA reinforcing bars and ECC. The novel SMA/ECC plastic hinges were found to substantially reduce damage and post-earthquake residual displacements in the bridge substructure, but led to larger maximum drifts relative to the bridge with conventional reinforced concrete plastic hinges. The analysis results suggested that the novel plastic hinges could lead to improved post-earthquake serviceability of bridges after intense earthquakes.     

Fatigue tests on SMA bars in span control

The estimation of the fatigue lifetime of copper-based shape memory alloy (SMA) specimens in the form of bars is investigated in view of their use in passive devices for structural control applications. In the envisaged application, the pre-stress value assigned to the SMA bars is selected so that it is only slightly modified when strain variations occur within an operative range. This condition requires that the fatigue cycles are performed in span control, conversely to the common practice of driving the tests in load control to study the fatigue behaviour of traditional metals such as steel. Several experiments are carried out at different temperatures for different strain ranges and the results are arranged with the aim of building suitable fatigue models.     

采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点滞回性能试验研究

为研究采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点力学性能和耗能能力,对马氏体镍钛形状记忆合金材料进行了单调拉伸和形状记忆效应试验,对采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的梁柱节点进行了拟静力试验和加热修复后的再次试验。研究结果表明：镍钛合金具有较大的可回复应变,从而能够适应节点不同程度损伤状态的性能修复要求;采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有稳定的滞回性能和耗能能力;节点具有后期强化效应,能够一定程度上弥补或消除节点部位受损元件引起的节点性能退化;镍钛合金独特的形状记忆效应和优越的疲劳性能确保了镍钛形状记忆合金螺杆的可重复使用和复原节点性能的能力;螺杆应变过大将导致形状记忆效应衰退,加热修复后将产生残余变形。最后,通过与角钢连接和钢螺杆连接的钢框架梁柱节点的性能对比分析,发现采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有更好的延性和能量耗散能力。     

Topology optimization and seismic collapse assessment of shape memory alloy (SMA)-braced frames: Effectiveness of Fe-based SMAs

This paper presents a seismic topology optimization study of steel braced frames with shape memory alloy (SMA) braces. Optimal SMA-braced frames (SMA-BFs) with either Fe-based SMA or NiTi braces are determined in a performance-based seismic design context. The topology optimization is performed on 5- and 10-story SMA-BFs considering the placement, length, and cross-sectional area of SMA bracing members. Geometric, strength, and performance-based design constraints are considered in the optimization. The seismic response and collapse safety of topologically optimal SMA-BFs are assessed according to the FEMA P695 methodology. A comparative study on the optimal SMA-BFs is also presented in terms of total relative cost, collapse capacity, and peak and residual story drift. The results demonstrate that Fe-based SMA-BFs exhibit higher collapse capacity and more uniform distribution of lateral displacement over the frame height while being more cost-effective than NiTi braced frames. In addition to a lower unit price compared to NiTi, Fe-based SMAs reduce SMA material usage. In frames with Fe-based SMA braces, the SMA usage is reduced by up to 80%. The results highlight the need for using SMAs with larger recoverable strains.     

形状记忆合金被动阻尼器及结构地震反应控制试验研究和分析

利用形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称SMA)的超弹性特性,本文提出了一种新型SMA阻尼器,将其安装在结构层间,抵抗结构地震作用。通过对阻尼器的构造设计,使其中的NiTi丝在结构振动过程中始终处于受拉状态,避免了合金丝的受压屈曲。文中首先针对一种直径为1.2mm的NiTi丝的超弹性特性进行了性能试验。试验结果表明,NiTi丝的超弹性滞回特性受其加载频率及循环圈数的影响,但当加载频率大于2Hz,加载循环圈数大于15圈后,该丝的超弹性滞回曲线趋于稳定。然后,将本文提出的SMA阻尼器安装在一个5层钢框架结构模型上进行了地震模拟振动台试验,验证了该SMA阻尼器可以有效减小结构的地震反应。最后,采用自回归(ARX)模型对无控和有控结构建模,分别采用最小二乘法和Kalman滤波法识别得到了无控结构和有控结构的ARX模型的参数,并由此进一步分析得到了无控和有控结构的各阶模态参数。     

Mechanical performance of eccentrically loaded pre-stressing concrete filled circular steel tube columns by means of expansive cement

This paper presents experimental and numerical investigations of pre-stressed concrete filled circular steel tube columns by means of expansive (PCFT) under eccentric loading. Conventional concrete filled steel tube (CFT) specimens are also tested in this paper just for comparison purposes. Based on the steel follow-up strengthening and concrete bounding surface constitutive relationships, this paper writes a nonlinear finite element program for calculating complete load mid-height deflection curves of eccentrically loaded PCFT/CFT columns. A good agreement is obtained between the calculated and test results. The results indicate that the eccentrically loaded PCFT columns generally have higher load carrying capacities than the CFT ones when other parameters are kept the same. But by increasing the load eccentricity ratio, the difference of load carrying capacity between them decreases. Other factors such as pre-stress, load eccentricity ratio, and steel ratio, etc. are also investigated.