摩擦耗能型部分自复位连接新型PEC柱组合框架抗震性能研究

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传统框架结构通过结构损伤耗散地震能,震后通常留有较大的残余变形,导致结构震后功能难以恢复且修复成本巨大,即等同实际意义上的倒塌。如何控制震后主要构件的残余变形不影响正常使用成了结构工程界亟待解决的问题。国内外学者基于预应力结构设计理念,提出了自复位结构这一新型结构体系,结果表明自复位结构能够十分有效的减少结构的残留变形。本课题组为了进一步推广自复位结构在实际工程中的应用范围,基于“自复位,耗能和安全冗余度”有机协调,提出了部分自复位结构设计理念,即“中震作用水平自复位+耗能元件耗能,大震作用水平承压连接部分自复位+主体构件耗能”。目前,部分自复位相关研究主要集中在节点和层间子结构方面,而对框架结构的研究较少。本文选择3榀摩擦耗能型部分自复位PEC柱(Partially Encased Concrete Composite Column)组合框架作为试验研究对象进行拟静力试验,同时使用ABAQUS等有限元软件进行数值模拟验证,并以此为基础,考虑T形摩擦板上对穿螺栓的布置方式、柱顶轴向压力、摩擦螺栓预紧力以及预拉杆预应力等设计参数建立4组7个有限元模型,综合分析整体,层间和节点滞回曲线,抗侧刚度退化规律,复位性能以及耗能能力等抗震性能,模拟结果与试验相互补充,完善研究内容。结果表明:卷边PEC柱强轴布置使得试件具有较大抗侧刚度,试件整体、层间加载至中震作用水平阶段末(侧移角0.02rad),残余侧移角均未超过0.005rad,在大震作用水平阶段末(侧移角0.04rad),残余侧移角在0.02rad左右,具有良好的复位性能和耗能能力;卷边PEC柱弱轴布置的试件抗侧刚度略低,结构的受力进程略有滞后,中震作用水平阶段复位性能和耗能能力与强轴布置差别不大,显示了翼缘卷边的构造处理一定程度上解决了PEC双向刚度差异性大的问题;预拉杆通长布置的方式,加载过程中预拉杆两端变形模式相反,应力相消,减少了梁的局部受压损伤,复位性能优异。试验的滞回规律与模拟结果基本一致,仅有受力进程快慢的区别,说明了数值模拟的可行性。所有模拟试件通过T形摩擦板上长圆孔尺寸的合理设置均能实现“中震水平自复位+耗能元件耗能,大震水平承压连接部分自复位+主体构件耗能”性能化设计两阶段的目标,对穿螺栓的布置方式显著影响框架整体受力进程和耗能机理;柱顶轴压力提高了试件初始抗侧刚度,但在加载后期的二阶效应相应加快了结构的损伤进程和抗侧刚度的退化;摩擦螺栓预紧力对试件自复位连接力学进程和抗震耗能能力影响明显;预拉杆力的增大提高了试件初始刚度;摩擦螺栓预紧力的减少或预拉杆力的增大,对应自复位连接的脱开弯矩与开始摩擦滑移弯矩的比值(Ma/Mb)增大,复位性能加强。所有模拟试件侧移角达到0.02rad时,试件整体与各层间残余侧移角均未超过0.003rad,当整体侧移达到0.04rad时,残余变形不超过0.015rad,结构仍有一定的复位能力。
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