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基于SMA自复位节点的钢框架抗震性能研究

基于SMA自复位节点的钢框架抗震性能研究

作者：郑鑫东南大学

学位级别：硕士

形状记忆合金(SMA)具有独特的自复位和耗能双重特性。将该材料应用于结构梁柱节点之中使之成为具有自复位功能的新型节点,成为了可恢复功能抗震结构研究的新热点。本文以装配SMA螺杆的梁柱自复位节点作为研究对象,该节点利用超弹性SMA... 详细信息

形状记忆合金(SMA)具有独特的自复位和耗能双重特性。将该材料应用于结构梁柱节点之中使之成为具有自复位功能的新型节点,成为了可恢复功能抗震结构研究的新热点。本文以装配SMA螺杆的梁柱自复位节点作为研究对象,该节点利用超弹性SMA长螺杆连接梁柱构件,并为节点供恢复力以实现震后复位的功能,并利用角钢剪切板与梁端腹板之间的摩擦和SMA螺杆共同耗散能量,而梁柱在节点转动中保持弹性,使节点在震后仅需更换耗能构件便可继续使用,实现了快速修复的目标。本文首先对SMA自复位节点进行了低周往复试验和数值模拟,通过对节点的滞回性能进行分析以揭示其工作原理和力学行为。在此基础上,采用非线性静力分析和非线性动力时程分析方法对装配有该节点的自复位钢框架抗震性能进行评估,并同传统抗弯钢框架的抗震性能进行对比。进一步地,讨论了SMA自复位节点在框架内不同布置位置对结构抗震性能的影响,并提出SMA自复位节点在框架中的布置策略。论文的主要内容和研究成果如下:(1)SMA棒材的热处理温度会对其性能产生较大的影响。材料拉伸试验结果表明:SMA棒材在450℃-30min的热处理工艺下表现出较好的自复位能力和耗能能力;利用Open SEES中的Self-Centering模型可以准确模拟SMA棒材的应力-应变关系,并为SMA自复位节点的数值分析建模提供依据。(2)SMA自复位节点的理论滞回曲线呈现出“双旗帜”自复位特征,节点的低周往复试验结果表明:在加载完成后节点能够恢复至初始位置,而梁柱等主要部件依然保持在弹性状态。节点试验得到的滞回曲线同理论滞回曲线的形态相一致,其自复位率在90%以上,表现出较好的自复位性能。通过建立SMA自复位节点的杆系数值分析模型可以准确地反映节点试验结果,并为基于该节点的钢框架抗震性能分析奠定基础。(3)结构非线性静力分析结果表明:装配了SMA自复位节点的钢框架结构的初始抗侧刚度和水平承载力虽然都要小于传统抗弯钢框架,但在SMA自复位节点作用下框架结构表现出更优越的延性性能,并使结构的层间位移角分布更加均匀;此外,SMA自复位节点还可以降低结构梁柱构件的转角,从而减少结构梁柱构件的屈服和塑性铰的数量,降低了结构的塑性变形。(4)结构非线性动力时程分析结果表明:在设防和罕遇两类地震动水准作用下,SMA自复位节点会对框架结构的变形产生一定的放大作用,但凭借节点中SMA螺杆的自复位特性,可以使框架在地震作用后基本恢复至初始位置,其产生的残余层间位移角降至0.5%rad以下,较传统抗弯钢框架结构表现出极佳的震后复位性能。(5)在框架结构的不同楼层中布置SMA自复位节点使结构的抗震性能和自复位能力产生一定的差异:将SMA自复位节点布置在结构低层能够显著减小结构的残余层间位移角;当节点位于结构中上层时,会降低结构底部梁柱构件的转角并使结构塑性变形更加均匀;而布置在高层对结构整体响应影响不大;上述效果随楼层内的SMA自复位节点数量增加而越发明显。(6)根据上述分析结果,本文提出了SMA自复位节点在框架结构中的布置策略:(1)应将其布置在结构损伤最严重和残余层间位移角最大的楼层以及结构中部楼层以减少结构梁柱塑性变形,降低残余变形并协调结构的层间位移;(2)避免在结构高层以及层间位移角最大的楼层进行节点布置以节约成本并限制结构变形的增加。分析结果表明:较传统消能减震装置布置方法,采用上述布置策略在结构中装配SMA自复位节点可改善和减少结构的塑性铰分布和数量,降低结构的残余层间位移角并减少结构层间位移角的增幅,使结构具备了优秀的自复位性能。此外,通过对比不同高度和不同跨度的结构非线性分析结果,可知该布置原则对其他中层钢框架结构同样适用。

关键词： SMA 自复位节点钢框架结构抗震性能布置策略

无黏结后张预制混凝土梁柱自复位节点基本力学特性分析

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地震工程与工程振动 2013年第6期33卷 47-52页

作者：韩建平陈军兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

利用高强无黏结预应力筋连接预制梁、柱以抵抗弯矩和提供自复位能力,构造了一种无黏结后张预制钢筋混凝土梁柱自复位节点,利用通用有限元软件对不同设计参数的5个这种节点在单调加载及往复加载工况下进行了数值分析,重点研究了节点的弯... 详细信息

利用高强无黏结预应力筋连接预制梁、柱以抵抗弯矩和提供自复位能力,构造了一种无黏结后张预制钢筋混凝土梁柱自复位节点,利用通用有限元软件对不同设计参数的5个这种节点在单调加载及往复加载工况下进行了数值分析,重点研究了节点的弯矩-转角特性,对初始后张预应力值、预制梁的配筋率及梁端三角箍筋和后张预应力筋的偏心距等主要参数的影响进行了讨论,同时对节点的自复位性能也进行了探讨。分析结果表明,这种新型节点具有足够的强度和刚度,并具有良好的自复位性能;在4%的侧移水平下,柱及梁的绝大部分均保持弹性。

关键词：预制混凝土自复位节点承载能力残余变形无黏结后张预应力筋

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基于角钢耗能的自复位节点抗震性能分析

基于角钢耗能的自复位节点抗震性能分析

作者：吴昕重庆大学

学位级别：硕士

自复位预制结构融合了预制装配式结构和预应力结构的特点,具有震后残余变形小、自复位能力强等优点,且有利于实现建筑工业化,具有广阔的发展前景。通过耗能角钢、预应力筋将预制构件拼接形成的角钢耗能节点,属于自复位预制节点中的一种... 详细信息

自复位预制结构融合了预制装配式结构和预应力结构的特点,具有震后残余变形小、自复位能力强等优点,且有利于实现建筑工业化,具有广阔的发展前景。通过耗能角钢、预应力筋将预制构件拼接形成的角钢耗能节点,属于自复位预制节点中的一种,与同类其他自复位节点相比,它具有施工快捷、震后便于修复的优点。目前国内外对这类自复位节点的抗震性能尚缺乏系统和深入的研究,没有形成有效的设计方法。在参考美国规范ACI 550.3-13、本团队前期混合连接节点设计方法的基础上,结合角钢耗能节点的受力特点和已有研究成果,提出了适用于角钢耗能节点的设计方法和计算流程。运用Abaqus有限元软件,分别建立了混合连接节点和角钢耗能节点的静力弹塑性数值分析模型。然后,采用与混合连接节点对比分析的方法,研究了角钢耗能节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、自复位性能及材料损伤等抗震性能指标。最后,通过改变角钢竖肢螺杆标距,对提高其耗能能力的措施进行了研究,并进一步探索了角钢耗能节点的机理。论文的主要成果如下:(1)随着参数Φ (设计状态下预应力筋所提供的抗弯承载力占截面总抗弯承载力的比值)取值的增大,混合连接节点和角钢耗能节点的残余变形均减小、自复位能力增强,而耗能能力有所减弱。(2)对于同一Φ取值时,相较于混合连接节点,角钢耗能节点的残余变形更小,自复位能力更好,即使加载至最大位移控制层间位移角(θ=1/50),其残余层间侧移也无需处理;但其耗能能力仅为混合连接节点的一半。(3)在最大位移作用下(θ=1/50),角钢耗能节点的混凝土压碎现象主要出现在框架梁端混凝土保护层,框架梁核心区混凝土无压碎现象。(4)角钢耗能节点主要通过角钢竖肢的剪切变形耗能。角钢的变形和损伤区域主要集中在竖肢转角以及竖肢螺栓孔所在高度的水平条带。(5)在保持预应力配筋面积、角钢厚度及材料参数等不变的情况下,随着角钢耗能节点竖肢螺杆标距l的减小,将使得Φ减小、截面抗弯承载力提高,从而导致节点耗能能力有所提高。

关键词：设计方法自复位节点角钢有限元模拟抗震性能

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碟形弹簧自复位梁柱钢节点受力性能分析

世界地震工程 2022年第3期38卷 38-47页

作者：朱丽华韩伟宁秋君刘海林西安建筑科技大学省部共建西部绿色建筑国家重点实验室陕西西安710055 西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055

针对自复位节点钢绞线预应力损失的问题,提出了一种新型碟形弹簧自复位梁柱钢节点。介绍了该节点的构造,对该节点的力学性能进行了理论分析。采用ABAQUS建立了碟形弹簧自复位梁柱钢节点的有限元模型,根据理论分析的计算结果验证了有限... 详细信息

针对自复位节点钢绞线预应力损失的问题,提出了一种新型碟形弹簧自复位梁柱钢节点。介绍了该节点的构造,对该节点的力学性能进行了理论分析。采用ABAQUS建立了碟形弹簧自复位梁柱钢节点的有限元模型,根据理论分析的计算结果验证了有限元分析的准确性。分析了弹簧预压力、摩擦系数、弹簧刚度和腹板摩擦装置的螺栓预紧力对该节点受力性能的影响。结果表明:碟形弹簧自复位梁柱钢节点在低周循环荷载作用下的滞回曲线为旗帜形,具有较好的复位能力和耗能能力。弹簧预压力、摩擦系数和腹板摩擦装置的螺栓预紧力对节点开口弯矩、耗能能力和复位能力的影响较大;弹簧刚度对自复位节点开口后刚度、耗能能力和残余变形的影响较大。

关键词：碟形弹簧自复位节点受力性能有限元分析

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角钢耗能自复位混凝土框架节点的耗能性能

土木与环境工程学报（中英文） 2023年第3期45卷 90-98页

作者：贺成简斌吴昕吴盼东莞市大业施工图审查有限公司广东东莞523000 重庆大学土木工程学院重庆400045

提出角钢耗能自复位混凝土框架设计方法,建立节点的有限元数值模型,并试验验证其有效性。对抗弯承载力比φdes预应力筋不同的节点进行模拟分析,研究其在地震作用下的自复位性能、耗能能力和材料损伤等性能指标。为提高该类节点耗能能力... 详细信息

提出角钢耗能自复位混凝土框架设计方法,建立节点的有限元数值模型,并试验验证其有效性。对抗弯承载力比φdes预应力筋不同的节点进行模拟分析,研究其在地震作用下的自复位性能、耗能能力和材料损伤等性能指标。为提高该类节点耗能能力,通过改变角钢竖肢螺杆标距做进一步研究。结果表明:角钢耗能节点具有良好的自复位性能,但耗能能力不足;减小抗弯承载力比φdes,自复位能力降低、残余变形加大,但耗能能力增强。与混合连接节点相比,应适当降低节点抗弯承载力比φdes的最低取值,以弥补其耗能能力的不足。角钢竖肢塑性变形是节点的主要耗能方式,且集中在竖肢的螺栓孔高度和竖肢转角位置;减小竖肢螺杆标距,且保持材料其他参数不变,将导致抗弯承载力比φdes减小、截面抗弯承载力提高,节点耗能能力将随之增强。

关键词：混凝土框架自复位节点角钢耗能数值模拟抗震性能

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摩擦型自复位梁柱节点的滞回与损伤性能研究

工程力学 2023年

作者：卢啸徐航张雪敏北京交通大学土木建筑工程学院北京市结构风工程与城市风环境重点实验室

为减小传统钢筋混凝土节点(reinforced concrete joint， RCJ)的残余变形和塑性损伤，便于震后快速修复，提出了一种新型的摩擦型自复位现浇梁柱节点(self-centering frictional cast-in-situ beam-column joint， SCFJ)，通过在梁端两... 详细信息

为减小传统钢筋混凝土节点(reinforced concrete joint， RCJ)的残余变形和塑性损伤，便于震后快速修复，提出了一种新型的摩擦型自复位现浇梁柱节点(self-centering frictional cast-in-situ beam-column joint， SCFJ)，通过在梁端两个削弱区域增设兼具自复位能力和耗能能力的摩擦型自复位连接件，从而减小结构的残余变形，同时将损伤集中在削弱梁段。本文对一SCFJ 试件和一RCJ 试件进行了低周往复加载试验，对两者的滞回性能、复位能力、耗能能力、损伤演化进行对比分析。并建立了SCFJ的精细有限元模型，对其滞回性能进行模拟。研究结果表明：SCFJ的损伤主要集中在削弱梁段，实现了损伤可控，SCFJ的混凝土剥落和纵筋屈服均晚于RCJ，损伤程度明显降低；SCFJ的承载力及耗能能力与RCJ相比略低，但残余位移明显减小，在层间位移角为2.5%时，残余位移仍小于0.5%，仅为RCJ残余位移的32%，具有良好的自复位能力。

关键词：自复位节点摩擦型自复位连接件低周往复荷载试验抗震性能损伤演化

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自复位预应力装配式混凝土框架节点性能研究

自复位预应力装配式混凝土框架节点性能研究

作者：王孟鸿长春工程学院

学位级别：硕士

装配式建筑较传统现浇建筑施工速度更快,环境污染更小,且更加节约资源,但装配式结构的整体性和耗能能力不佳。为了保证装配式结构的可靠性,各种“延性连接”的预应力装配式节点连接方式也相继提出,通过布置预应力筋为节点提供自复位能... 详细信息

装配式建筑较传统现浇建筑施工速度更快,环境污染更小,且更加节约资源,但装配式结构的整体性和耗能能力不佳。为了保证装配式结构的可靠性,各种“延性连接”的预应力装配式节点连接方式也相继提出,通过布置预应力筋为节点提供自复位能力和布置耗能装置提高节点的耗能能力,保证梁柱连接处具有良好的转动能力。当前国内对自复位预制混凝土节点的研究尚处于起步阶段,还未建立完善的设计方法与结构体系,本文在现有的研究基础上,以边柱节点为例对外置耗能钢棒的自复位预制混凝土框架节点的力学性能系统地开展了理论分析与有限元模拟,主要的研究内容与取得的成果如下:(1)先介绍了本文所研究节点的构造设计;再对自复位装配式混凝土节点的设计原则和性能进行阐述;再介绍“旗帜型”滞回曲线的相关理论;再对自复位预制混凝土节点骨架曲线的理论模型进行推导,通过节点的受力状况定义节点的相应极限状态为特征点,分析计算各特征点所对应的位移与荷载,从而得到骨架曲线三折线模型。(2)运用ABAQUS有限元软件对外置耗能钢棒的自复位预制混凝土节点进行精细化建模,并与现浇节点、仅布置预应力筋预制节点和内置耗能钢棒预制节点的抗震性能进行对比,研究往复荷载作用下四种节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、等效屈服位移和刚度退化等指标对抗震性能的影响。研究表明:外置耗能钢棒的自复位预制框架节点具有自复位功能,并有较好的承载能力、耗能能力、等效屈服位移和刚度。(3)以外置耗能钢棒的自复位预制框架边柱节点中耗能钢棒的直径、预应力筋初始应力、混凝土强度和柱的轴压比为参数,研究各参数对外置耗能钢棒预制节点抗震性能的影响。再对比梁柱间有无填充灌浆料的节点受力性能,研究灌浆料对节点抗震性能的影响。研究表明:适当增大耗能钢棒的直径可以明显提高节点的耗能能力,承载能力也稍有提升,但自复位功能有所减弱;增大预应力筋初始应力,节点自复位能力和刚度进一步增强,承载力略有提高;混凝土强度对试件弹性阶段的抗震性能有影响,随着混凝土强度增大,试件的恢复力与刚度有所增大,而钢棒屈服后对节点影响不明显;柱的轴压比对节点的抗震性能影响不大;梁柱间填充灌浆料后,节点梁柱构件的损伤明显减轻,但试件的承载能力及累计耗能稍有下降。

关键词：装配式预应力自复位节点抗震性能有限元

新型装配式自复位齿槽型梁柱节点及其抗震性能研究

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新型装配式自复位齿槽型梁柱节点及其抗震性能研究

作者：朱洲萍江西理工大学

学位级别：硕士

装配式建筑具有生产标准化、质量可控、施工方便、环境友好等优点,可以有效地节省人工成本,缩短工期,有利于保护生态环境。然而,由于装配式建筑的模块化工作特点,使其在地震作用中难以保证结构的整体性,相对于现浇建筑结构表现出较差的... 详细信息

装配式建筑具有生产标准化、质量可控、施工方便、环境友好等优点,可以有效地节省人工成本,缩短工期,有利于保护生态环境。然而,由于装配式建筑的模块化工作特点,使其在地震作用中难以保证结构的整体性,相对于现浇建筑结构表现出较差的抗震性能。以装配式框架结构为例,地震破坏通常发生在梁柱节点处,节点的力学性能关系到整个装配式结构的承载能力和抗震能力。在此工程背景下,本文提出了一种新型装配式自复位齿槽型混凝土梁柱节点,该节点在拼接位置截面处采用齿槽状构造和纵筋锁具-锁构造,齿槽状构造在梁柱节点处为咬合状矩形齿,并在预留孔道内后张预应力耗能钢筋将结构连接成整体;纵筋锁具-锁构造为装配构件纵筋的拼接端部预埋含有槽孔的钢构件,在施工现场通过楔入对应形状的钢锁以实现预制构件的拼接。本文主要研究内容如下:(1)阐述了节点设计原则,首先详细介绍了新型装配式自复位齿槽型混凝土梁柱节点的构造特点、性能分析方法,然后给出了预应力筋的设计与计算原则,最后提出了新型节点的施工方案,为节点在工程中的运用提供了理论依据。(2)基于桁架-拱模型提出了新型装配梁的受剪承载力公式,推导了受剪状态下新型节点截面的抗剪承载力复核公式,并通过算例及有限元模型进行了比对验证。结果表明:基于新型节点拼装截面抗剪承载力公式与有限元模拟所得结果吻合较好,有限元模拟得到的拼接处荷载峰值与算例中的结果相差在12%以内;通过ABAQUS中新型装配式节点与现浇节点的受力性能比较,表明锁具-锁能够有效传递纵筋应力,且齿槽状构造提升了截面的抗剪承载力,研究证明新型节点具有与现浇节点接近的抗剪承载能力。(3)在基准模型上分别以预应力筋张拉应力、柱轴压比、齿槽个数、齿槽高深比为变量参数,建立四组共八个新型装配式节点的有限元模型,讨论装配式节点在循环荷载作用下的力学性能,研究新型节点抗震性能的参数敏感度特征,研究表明:提高张拉应力能够显著改善节点的承载力和刚度,轴向压力提高在一定程度上可以抑制节点核心域混凝土受损,齿槽个数和齿槽高深比对新型节点的影响有限。(4)基于SAP2000软件分别建立新型装配式梁柱节点框架和现浇节点框架模型,采用动力时程分析方法对两种框架结构的破坏特性和承载力进行了比较研究。研究结果表明,同等地震设防条件下,新型装配式节点框架安全储备能力较现浇节点框架更为优异。在等效塑性应变相差不大的情况下,可有效减小梁柱构件的塑性应变,增强框架结构在地震作用下的延性;与现浇框架相比,装配式框架在地震作用下具有更大的塑性耗能能力,能吸收更多由系统刚度退化产生的能量,从而提升结构的抗震性能。

关键词：装配式梁柱节点自复位节点抗震性能数值模拟

自复位方钢管混凝土柱-H形钢梁节点的滞回性能

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建筑钢结构进展 2021年第8期23卷 1-10页

作者：王一心孙国华刘文渊龚富涛苏州科技大学土木工程学院江苏苏州215011 南京理工大学泰州科技学院城市建设与设计学院江苏泰州225300

碟簧垫片具有良好的变形和弹性复位能力,通过预压碟簧垫片可实现结构或构件的震后复位。通过将碟簧垫片引入至方钢管混凝土柱-H形钢梁连接节点,实现了此类节点的自复位功能。采用通用有限元程序ANSYS建立了节点的精细化有限元模型,并对... 详细信息

碟簧垫片具有良好的变形和弹性复位能力,通过预压碟簧垫片可实现结构或构件的震后复位。通过将碟簧垫片引入至方钢管混凝土柱-H形钢梁连接节点,实现了此类节点的自复位功能。采用通用有限元程序ANSYS建立了节点的精细化有限元模型,并对带有碟簧的方钢管混凝土柱-H形钢梁连接节点进行了参数分析,重点考虑了碟簧初始预应力、碟簧数量、碟簧组合方式对此类节点滞回性能、抗弯承载力、节点刚度、耗能能力及残余转角的影响,并和传统角钢节点进行了对比。分析结果表明:通过对碟簧的合理设计,可实现此类节点在震后恢复至初始状态,梁柱主体构件均处于弹性状态。与传统角钢节点相比,增设碟簧可显著增加节点的抗弯承载力和转动刚度,有效消除卸载后的残余转角。增加初始预应力提高节点的复位能力,碟簧对合数量的增加降低了节点的最大抗弯承载力,节点的转动刚度随碟簧叠合数量的增加而增大。

关键词：碟簧有限元分析自复位节点滞回性能残余转角