损伤可控耗能梁柱节点抗震性能分析与试验研究

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框架结构中,节点处连接多个构件,其构造和受力较为复杂,节点破坏极易引起结构的倒塌,因此保证其具有良好的抗震性能十分重要。现有节点存在塑性发展不可控和耗能能力差等问题,为提高节点的抗震性能,新型框架梁柱节点得到广泛研究。本文提出一种损伤可控耗能(Damage Controllable Energy Dissipation,简称DCED)梁柱节点,在预定区域设置低屈服点型钢,并通过螺栓将其与两侧预埋型钢相连接,使预定区域较早进入塑性,耗散地震能量,并且震后可进行更换,实现节点塑性发展可控、震后可修复的目的。对DCED节点进行了低周往复荷载试验,结合有限元模拟对该节点的承载能力、破坏模式、耗能能力以及强度和刚度退化等抗震性能进行研究,并对影响DCED节点性能的参数进行分析。主要研究内容如下:(1)基于“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、刚度等效及塑性可控的设计要求,提出DCED节点的构造设计方案。建立DCED节点的有限元模型,通过数值模拟,验证节点构造形式的合理性并分析其在低周往复荷载作用下的抗震性能,结果表明,低屈服点连接型钢发生屈服时,混凝土与钢筋仍处于弹性状态。与现浇节点相比,DCED节点的正向与负向的承载力分别提高了41.13%和14.51%,DCED节点的累计耗能是现浇节点的2.03倍。两种节点的初始刚度基本一致,加载后期,刚度退化不明显。(2)进行了缩尺1/2的DCED节点和现浇节点的低周往复荷载试验,研究了DCED节点的破坏模式、强度和刚度退化及耗能能力,并与现浇节点作对比。试验结果表明:现浇节点核心区混凝土大面积剥落,节点核心区破坏严重,但DCED节点混凝土柱和节点核心区未发生破坏,其破坏仅发生在型钢与混凝土交界面处和加载端。相同加载位移下,现浇节点核心区钢筋屈服时,DCED节点核心区内钢筋仍处于弹性状态,说明DCED节点的构造形式可以保护节点核心区及梁柱主体构件。在初始阶段两种节点有相近的刚度,能够满足刚度等效的设计要求,两种节点的正向和负向加载的强度和刚度退化系数变化趋势一致,但DCED节点的整体强度和刚度退化系数更小。DCED节点的耗能能力更强,位移加载到30mm时,DCED节点的累计耗能为现浇节点的1.86倍,等效粘滞阻尼系数为现浇节点的2.14倍。(3)建立试验的DCED节点和现浇节点的有限元模型,分析其在低周往复荷载下的抗震性能,并与试验结果对比。有限元模拟得出的滞回曲线与试验结果较为接近,承载力相对误差较小,符合度较高,表明有限元数值模拟能够准确的预测两种节点的滞回特性。在此基础上,研究DCED节点连接型钢位置、连接型钢长度和强度对节点的承载力、耗能能力、节点核心区混凝土损伤等抗震性能的影响规律。结果表明:DCED节点的承载力和耗能能力受连接型钢的位置和长度影响小。在一定范围内,正向加载的初始刚度随着连接型钢长度的增加而增大,但连接型钢过长会使初始刚度降低,连接型钢强度越低,承载力越小,刚度退化越快。连接型钢位置对节点核心区上部混凝土损伤无显著影响,但节点核心区下部混凝土的损伤随着连接型钢位置的增大而加剧。随着连接型钢长度的增加,节点核心区上部混凝土损伤加剧,但下部混凝土的损伤不受其影响。
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