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地震是全人类共同面对的自然灾害之一,对人们的生命和财产安全构成了严重的威胁。传统的抗震设计采用延性设计理念,通过结构预期损伤部位的延性变形来吸收地震能量,以避免结构在地震中倒塌,保护生命和财产的安全。然而,在这一指导思想下设计出来的结构往往在地震后产生较大的残余变形和难以修复的破坏,造成巨大的直接、间接损失。
为减少钢筋混凝土框架在地震作用下的残余变形和损伤,本文提出了一种新型的“腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点”。围绕这一新型节点,先后开展了节点的构造形式、理论分析、低周反复加载试验以及数值模拟研究,完成的主要工作及结论如下:
(1)节点的构造形式研究。采用无粘结预应力钢绞线对预制的钢筋混凝土梁柱进行现场拼接。当梁端弯矩超过节点的临界张开弯矩时,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了摩擦耗能件,从而可以在梁柱相对转动时耗散地震能量。
(2)节点力学行为的理论分析。根据腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的特点,推导了梁端轴力、剪力、弯矩以及节点张开后转动刚度的表达式,建立了节点梁端弯矩-相对转角关系和侧向力-侧向位移关系的理论分析模型,并得到了节点耗能系数和等效粘滞阻尼系数的计算公式。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。
(3)节点抗震性能的试验研究。通过14个低周反复加载试验,对节点在循环荷载下的抗震性能进行了研究,分析了钢绞线预应力、螺杆预应力、梁端钢套、螺旋箍筋等参数对于节点性能的影响。试验结果表明,腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点具有震后自动复位、主体结构基本无损、耗能机制明确等优点。梁端的钢套避免了混凝土梁柱在相对转动时的局部受压破坏,而位于梁端腹板的摩擦装置则提供了良好的耗能能力。随着初始预应力的加大,节点的初始刚度、临界张开弯矩加大并具有更强的自定心能力;节点的耗能效果主要受摩擦力大小的控制,预应力螺杆的正应力越大,耗能效果越明显。
(4)节点抗震性能的数值模拟。在理论分析与试验研究的基础上,利用开源有限元分析软件OpenSees对节点的数值分析方法进行了研究,包括节点在地震作用下的张开/闭合、自定心、摩擦耗能等特性的模拟。数值模拟的结果与试验数据吻合良好,表明了该数值模拟方法的有效性,为后续腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的抗震分析提供了依据。