摩擦耗能型预应力自复位胶合木框架的抗震性能

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使用螺钉等进行节点连接的传统木结构在地震时主要依靠材料自身的变形来耗散地震能量,震后结构的残余变形较大。自复位胶合木结构使用了性质更稳定的工程木产品,震中利用附加的耗能器耗散地震能量,震后在后张预应力的作用下恢复到初始位置。目前国内外在自复位木结构梁柱节点耗能形式上多选择钢材屈服耗能,摩擦耗能在梁柱节点领域的研究较少。已有的研究表明安装在墙、柱节点上摩擦耗能器具有稳定的耗能性能。本文将其安装在梁柱节点上,提出了摩擦耗能型预应力自复位(FD-SC)胶合木梁柱节点的概念并开展了系列研究。主要的研究内容和结论如下:(1)分析了FD-SC胶合木梁柱节点的工作机理及其在侧向力下的力学性能。FD-SC胶合木梁柱节点中的各部件均可在工厂加工并在现场拼装。摩擦耗能器在梁柱间隙张开时,其摩擦面产生相对滑动并耗散能量。取节点隔离体进行研究,分析了FD-SC胶合木梁柱节点在各阶段的理论模型,并给出了相应参数的计算方法,得到了节点抗弯能力与节点相对转角关系的滞回模型。(2)开展了FD-SC胶合木梁柱节点在不同设计参数工况下的拟静力试验。加工制作了一个全尺寸的FD-SC胶合木梁柱节点试件,以复位组件(初始预应力、预应力刚度)和耗能组件(摩擦力)为变量开展了一系列试验。试验结果表明:FD-SC胶合木梁柱节点的滞回曲线呈现明显的旗帜型,合理的复位组件和耗能组件设计可使节点具备良好的耗能性能和复位性能;预应力筋刚度与节点的张开后刚度几乎呈线性正相关。FD-SC胶合木梁柱节点的理论滞回模型与性能试验结果吻合较好。(3)开展了FD-SC胶合木梁柱节点的破坏试验。研究了性能试验后节点的损伤状况并提出改进方法。更换摩擦片后节点的破坏试验结果表明:最终节点因木柱端面被预应力筋锚具压溃而破坏,节点在4%位移角内表现出较好的滞回特性,在6%位移角内仍具备较好的可修复性。试验后分析了预张力损失、节点刚度与强度退化和螺栓碰壁机理,得到了螺栓碰壁的理论滞回模型。与试验结果比照后吻合较好,可依据试验中滞回曲线形状推测碰壁螺栓的位置与木材损伤状态。(4)给出了FD-SC胶合木框架基于性能的抗震设计方法。采用基于性能的设计理念,在直接基于位移的设计方法(DDBD)基础上,根据自复位胶合木节点在性能试验中得到的试验数据,限定了设计所需参数的合理范围,给出了FD-SC胶合木框架基于性能的简化设计方法。对利用该方法设计的FD-SC胶合木框架实例在Open Sees平台中开展了动力时程分析。分析结果表明:该框架在设计地震动(DBE)和最大地震动(MCE)下的表现均符合设计预期,框架的整体和局部性能指标均在设计范围内,该设计方法具备可行性。(5)分析了FD-SC胶合木框架的抗震性能。对框架实例分别开展了拟静力、动力时程和参数化分析。静力分析结果表明:框架具备良好的复位与耗能性能,节点弯矩-相对转角曲线符合预期。动力时程分析结果表明:框架在多遇和罕遇地震水准下整体及局部响应良好,且在罕遇地震动下结构具有一定的安全储备。参数化分析结果表明:第二刚度的提升可以改善结构的整体响应,减少加速度敏感型非结构构件的损伤。
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