双梁自复位钢框架的滞回性能试验与分析

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自复位抗弯钢框架(SC-MRF)能够克服抗弯钢框架震后残余变形较大的缺点,具有较大的启动前刚度和良好的启动后延性和耗能能力,还可以避免梁柱节点的现场焊接,得到了广泛的研究和应用。但传统SC-MRF存在梁伸长效应导致楼板受拉易开裂等问题,在现场张拉预应力筋也增加了施工复杂性。本文对SC-MRF的构造进行改进,提出了一种能够改善上述缺点的双梁型自复位抗弯钢框架(SC-CBF),针对SC-CBF的滞回性能开展了一系列研究,主要的研究内容和结论如下:(1)分析了SC-CBF的工作机理及其在侧向力作用下的力学性能。双梁与柱销接可避免梁伸长效应,摩擦耗能器利用双梁内部相对位移耗能,摩擦耗能器、预应力自复位系统和框架梁可在工厂实现一体化预制,双梁与柱子的连接可用传统装配工艺完成。根据虚功原理、叠加原理和受力平衡方程推导了SC-CBF的抗侧刚度和临界荷载公式,建立了SC-CBF的滞回曲线理论模型并给出了模型中各参数的计算式。(2)研究了SC-CBF梁柱节点中销轴连接的刚度与强度特性。开展了销轴连接单向拉伸试验,研究了其荷载位移曲线规律;推导了销轴连接的初期刚度公式,并通过精细有限元分析校核了公式的准确性;总结了中国钢标、美国钢规和欧洲钢规关于销轴连接的设计方法异同点,在此基础上给出了刚度折减系数的取值建议:对于按中国钢标设计的销轴连接,可用该系数对初期刚度进行折减得到销轴连接在正常使用时的割线刚度。销轴连接用于对刚度敏感的结构中时应进行刚度验算。(3)开展了SC-CBF在不同设计参数工况下的拟静力试验。设计制作了一榀单层单跨SC-CBF,考虑了不同初始预拉力和耗能摩擦力的6个试验工况,试验结果表明:合理设计初始预拉力和耗能摩擦力的大小可使得SC-CBF同时具备较强的耗能能力和自复位能力;推导的SC-CBF理论滞回模型与试验曲线吻合较好,该模型能准确反映SC-CBF的启动力和抗侧刚度等宏观力学性能。(4)开展了单层单跨SC-CBF的有限元模拟与参数化分析。采用三维精细模型分析了SC-CBF中构件的应力分布情况;采用二维简化模型对SC-CBF进行了参数化分析。有限元分析结果表明:在SC-CBF的层间位移角达3%时各构件仍能保持弹性,销轴连接的耳板、梁端截面和端板等处是应力较大的区域。梁柱高度比h/H、梁长与柱高比L/H、预应力筋截面积Apt、销轴连接刚度kp、初始预拉力Fpt0和耗能摩擦力Fd这6个设计参数对第一刚度k1、启动力F1、第二刚度k2等滞回性能指标的影响较大。第二章的刚度公式和启动力公式准确性较高,在误差允许时可用于代替有限元计算。(5)对SC-CBF滞回性能指标进行了灵敏度分析与响应面拟合。采用ANSYS程序的PDS模块对SC-CBF主要滞回性能指标进行了灵敏度分析,通过回归分析拟合了各滞回性能指标与相关设计参数的近似函数关系式。概率分析结果表明:k1受L、h和kp的影响程度较大,F1受h、Fd和Fpt0的影响程度较大,k2受L、Apt和h的影响程度较大;当设计参数的取值在随机输入变量取值范围内时可用近似函数代替有限元计算求解k1、F1和k2的值。
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