含防屈曲消能-复位单元的损伤可控钢框架节点抗震性能与设计方法

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钢结构建筑具有轻质高强、抗震性能良好、绿色环保等优点。但基于大震不倒的钢结构传统抗震设计以主体结构发生损伤为代价,导致结构在大震后产生塑性变形而难以修复。因此,研发在震后能快速恢复功能的抗震钢结构体系已成为地震工程领域的热点。基于可更换构件的损伤可控思路是解决上述问题的有效途径,但现有解决方法普遍存在节点抗剪不足、楼板效应显著等共性问题。为此,本文提出一种含防屈曲消能-复位单元的损伤可控钢框架节点,包括中间梁段和悬臂梁段,梁段间通过上翼缘的悬挂单元、腹板处的复位单元和下翼缘的消能单元连接。地震阶段,以悬挂单元为旋转中心,通过消能单元拉压塑性变形耗散地震能量;震后修复阶段,释放消能单元对主体结构的约束,利用复位单元提供弹性恢复力实现节点复位。本文围绕新型节点的力学模型、抗震性能、震后复位能力以及结构体系的抗震性能和震后复位能力开展研究,主要研究内容与结论如下:(1)在第二章中,提出了新型节点的构造与工作原理,根据其预设的工作机制以及等效力学模型提出计算新型节点弹性侧移刚度、拼接截面弯矩-转角关系、节点-单元变形关系、节点层次和框架层次复位准则的理论公式,基于损伤控制提出新型节点的设计方法,为后续全面剖析节点在地震作用下的受力特性和震后复位能力提供理论依据。(2)根据上述理论,在第三章中开展了4个新型梁柱节点拟静力试验研究,考虑有/无复位单元、有/无楼板设置以及不同悬挂连接构造(高强度螺栓连接/焊缝连接)三类参数的影响,对完成首次加载的其中两个节点进行消能单元更换并进行二次加载,考察其震后的功能可恢复性。试验结果表明:新型节点通过合理设计,可实现小震弹性,中大震通过消能单元集中耗散地震能量,在4%层间位移角下主体结构和复位单元保持弹性;震后复位单元可提供弹性恢复力,显著降低节点的震后残余变形,新型节点具备良好的结构功能可恢复性。(3)在第四章中,采用ABAQUS软件开展新型节点力学性能的有限元参数分析。首先以拼接截面位置作为参数变量考虑其对节点抗震性能的影响;其次以梁高、屈服层间位移角、复位弯矩作为参数变量,考虑不同参数条件对节点性能目标的影响。分析结果表明:新型节点布置在传统钢框架梁在竖向荷载作用下的弯矩零点,竖向荷载对节点的抗震性能影响最小。在不同的参数变化下,新型节点均能实现“小震弹性、中大震耗能、损伤转移、功能可修复”等性能目标,相关力学参数的有限元值与理论值吻合良好,证明了理论计算公式的普适性。(4)在第五章中,采用Open Sees软件对4层和8层新型钢框架开展结构模态分析、Pushover分析和动力弹塑性时程分析,并与传统钢框架和纯耗能钢框架(仅设置消能单元)进行对比,在此基础上以新型钢框架的总复位弯矩作为参数变量,通过拟静力加载验证框架层次的复位可行性。分析结果表明:新型钢框架与纯耗能钢框架的抗震性能相似,同时前者相比于传统钢框架,实现了各层的分散耗能,层间变形更为均匀,减小结构薄弱层出现的概率,减轻了柱脚的损伤程度;通过不同复位弯矩的新型钢框架之间对比,验证了框架层次复位的可行性和理论准则的有效性。
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