【摘 要】
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网格结构因其施工方便、造型优美等特点被广泛应用,它不仅能够满足体育场、机场、会议室等日常活动的使用需求,还要在灾难地震下承担避难所的作用。从历史上各大地震可以看出,网架结构在灾难地震作用下的破坏失效表现出明显的超低周疲劳破坏特征。网格支座节点作为连接上部网架与下部支承的关键部位,其锚栓常因在强震下受拉、剪等复杂应力共同作用而断裂,进而导致整个结构失效。本文以橡胶板式支座为研究对象,研究其超低周疲劳
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网格结构因其施工方便、造型优美等特点被广泛应用,它不仅能够满足体育场、机场、会议室等日常活动的使用需求,还要在灾难地震下承担避难所的作用。从历史上各大地震可以看出,网架结构在灾难地震作用下的破坏失效表现出明显的超低周疲劳破坏特征。网格支座节点作为连接上部网架与下部支承的关键部位,其锚栓常因在强震下受拉、剪等复杂应力共同作用而断裂,进而导致整个结构失效。本文以橡胶板式支座为研究对象,研究其超低周疲劳性能和破坏机制,对未来提高建筑安全性以及韧性城市的建设颇具意义。本文以国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358)为依托,进行了以下工作:(1)依据规范,同课题组共同设计了M27锚栓橡胶板式支座节点和试验加载装置;(2)采用双向加载法,对4个橡胶板式支座进行了超低周疲劳加载试验,记录了试件破坏过程。研究了橡胶板式支座的极限承载力、滞回性能、耗能能力、水平刚度等疲劳性能;(3)从宏观、微观两个角度研究了锚栓断口的形貌特征,分析锚栓的断裂机制;(4)利用Abaqus建立有限元模型进行数值分析,分析锚栓在损伤积累中的破坏过程和应力变化。通过上述工作,得到以下主要结论:(1)试件破坏现象基本相同,可以归纳为橡胶错动、支座滑移、底板上抬以及锚栓弯曲等阶段,最终橡胶板式支座节点因锚栓全部断裂彻底失效。锚栓的寿命在20~87次范围内,均低于100次,属于超低周疲劳断裂。(2)受滑移影响,试件滞回曲线有明显“捏拢”现象,饱满程度较差。当竖向压力由100k N增至200k N时,锚栓塑性发展程度更高,试件寿命更低。极限荷载、初始刚度和平均耗能均有所提高;(3)锚栓的缩颈率统计表明,断裂后的锚栓塑性变形较小,缩颈部位位于距离锚栓根部0~90mm范围内,由拉力和钢底板锚栓孔壁挤压磨损两种原因造成。(4)断口是明显的弯曲疲劳断裂,由两个疲劳源、两个扩展区和一个瞬断区组成,且各个锚栓的开裂顺序、裂纹扩展速率以及塑性发展程度不同。微观结果表明锚栓断口表现出韧性断裂与脆性断裂特征并存的特点,锚栓位置不同时最终断裂的原因不尽相同;(5)数值模拟结果和试验结果基本吻合,锚栓根部有明显的应力集中现象,并且轴向应力远大于切向应力,约为后者的2到3倍,是整个橡胶板式支座节点最薄弱的地方,在金属损伤萌生准则和演化规律作用下,锚栓根部单元依次退出工作,直至锚栓断裂。
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