LYP225低屈服点钢锥形钢棒阻尼器剪切力学性能研究

为了研究LYP225低屈服点钢锥形钢棒阻尼器(low yield point-web hourglass pin, LYP-WHP)在剪切荷载作用下的滞回性能与疲劳性能,对两个LYP-WHP试件分别进行了滞回加载与疲劳加载试验。基于试验结果,采用混合强化本构模型,通过ABAQUS软件建立了12个LYP-WHP的足尺精细化数值模型,分别以阻尼器的内径、外径和耗能段长度为参数,研究以上参数对LYP-WHP在剪切荷载作用下LYP-WHP滞回性能的影响规律,推导了LYP-WHP的弹性刚度计算公式,并给出了初步确定LYP-WHP屈服力与屈服位移的方法,基于试验与数值分析结果,得到了LYP-WHP屈服后的刚度折减系数建议值。研究结果表明:在剪切位移下,LYP-WHP具有良好的滞回性能与疲劳性能;增大外径和内径可明显提高LYP-WHP的承载力、刚度和耗能能力,增大耗能段长度则会降低LYP-WHP的承载力、刚度和耗能能力;增大内径、外径使材料的利用率先增大后减小,增大耗能段长度则基本无影响;推导的LYP-WHP弹性刚度计算式可以较为准确地计算LYP-WHP的弹性刚度;基于该研究的分析结果,建议LYP-WHP的内径与外径比值取0.375~0.625,屈服后的刚度折减系数取0.11,得到了理论骨架曲线的计算式。

带低屈服点钢材“延性保险丝”的钢框架盖板连接节点设计方法研究

采用屈服点低、高延性、高耗能能力的低屈服点钢材制作钢框架节点的连接组件,实现耗散地震能量与震后可更换功能叠加,为震后可恢复功能结构提供一种优质解决方案。为提出带低屈服点钢材“延性保险丝”的钢框架盖板连接节点的设计方法,首先采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性计算模型,结合已有钢框架螺栓连接节点拟静力试验,验证数值模型的准确性和适用性。在此基础上,探讨不同影响因子对带低屈服点钢材“延性保险丝”的钢框架盖板连接节点工作性能的影响,获得各个影响因子与盖板“结构保险丝”作用的定量关系,最终提出了带低屈服点钢材“延性保险丝”的钢框架盖板连接节点的设计方法和设计流程,并采用实际工程设计算例进行验证。研究结果表明:拼接缝宽度、腹板盖板厚度与梁宽对节点实际承载力系数和盖板“结构保险丝”作用的影响较小;而拼接位置、梁高和翼缘盖板厚度是影响节点实际承载力系数的关键因子,设计不合理时会令“结构保险丝”作用提早失效;基于计算结果拟合得到节点设计承载力系数临界值与拼接位置和梁高的定量表达式,当设计承载力系数小于临界值时,低屈服点钢材盖板“结构保险丝”作用充分发挥;当设计承载力系数大于临界值时,随着设计承载力系数增大,低屈服点钢材盖板“结构保险丝”作用逐渐减弱。

极低屈服点钢材在耗能减震控制中的应用

介绍了极低屈服点钢材的研制过程及其力学性能,并对极低屈服点钢材在耗能减震控制中的应用现状以及进一步需要探讨的问题进行了论述。

抗震新材料——低屈服点钢材

文章介绍了低屈服点钢材的力学特性和其在提高建筑物减震能力中不可小视的作用,希望此种钢材能得到建筑业人士的重视和重用,从而使其在建筑中发挥耗能减震的作用,极大程度的避免和减少地震所造成的损失。

极低屈服点软钢阻尼器恢复力模型的研究

本文通过试验和理论分析探讨极低屈服点软钢阻尼器的恢复力特性。随着塑性变形的发展将恢复力模型中的骨架曲线进行平移,其卸载曲线用Ramberg Osgood函数来描述,由此得到的恢复力模型定义为骨架平移模型,将其应用于描述极低屈服点软钢阻尼器的恢复力特性。为了验证该模型的有效性并确定合理的参数,对安装极低屈服点软钢阻尼器的3层钢框架结构进行了拟动力试验,同时用该骨架平移模型模拟极低屈服点软钢阻尼器的恢复力特性进行了大量的弹塑性地震反应分析。通过取用不同平移系数时的数值计算结果与拟动力试验结果的比较,发现平移系数为0.6左右时,该模型具有较高的精度。

国产钢材LYP225的低周疲劳试验研究

目前,对于低屈服点钢材的低周疲劳性能试验的研究不多。对两组不同尺寸的国产低屈服点LYP225钢材进行低周循环加载试验,研究其循环骨架曲线、滞回环特点、低周疲劳寿命等特性;同时探讨长细比对低屈服点钢材疲劳寿命的影响。通过Ramberg-Osgood模型对不同应变幅加载下的滞回环进行拟合,得出钢材循环骨架曲线;通过Coffin-Manson模型拟合得到钢材的低周疲劳寿命S-N(应变-寿命)曲线;通过试验数据确立了混合强化参数并将其输入ABAQUS软件中,所得结果能很好地模拟LYP225钢材的滞回曲线。试验结果表明:国产LYP225钢材滞回环饱满,表现出良好的延性,低周疲劳特性好于国外相同试样尺寸的同等级钢材;国产LYP225钢材低周疲劳寿命受试样长细比的影响较大,相同应变幅下,长细比越大其低周疲劳寿命越低;通过试验数据拟合得到的强化参数可用于构件在整体结构中的地震反应分析。

考虑焊接影响的低屈服点钢LY100超低周疲劳破坏机理研究

为研究低屈服点钢材LY100在反复拉力作用下的力学性能,设计LY100钢与Q345钢或Q235钢焊接连接的材性试件,共进行4组18个材性试件的单调和反复受拉加载试验研究。获得6种不同加载制度下试件的荷载-位移曲线、应力-应变曲线、滞回性能、超低周疲劳破坏机理以及延性特征等。研究结果表明,焊接接头对试件的超低周疲劳性能有不利影响,焊接接头使LY100钢材力学性能的稳定性和延性变差;LY100钢与Q345钢或Q235钢焊接后,材性试件的强度提高但延性下降;反复拉力作用下,带有焊接接头的材性试件呈现强度硬化、延性下降的受力特征,而未带焊接接头的材性试件会产生强度下降、延性增强的现象。

低屈服点钢偏心支撑框架抗震性能研究

将偏心支撑框架中的消能梁段腹板替换为低屈服点钢材,形成低屈服点钢偏心支撑框架。为实现震后修复的功能,消能梁段与主体结构通过高强螺栓及端板进行连接。建立了单层支撑框架和高宽比为2的高层支撑框架,对比分析了普通钢偏心支撑框架与低屈服点钢偏心支撑框架的抗震性能。有限元分析结果表明,单层支撑框架在相同变形状态下,低屈服点钢偏心支撑框架中的框架柱、支撑轴力显著降低,非消能梁段弯矩和剪力均有降低。高层支撑框架中,中、大震状态下低屈服点钢偏心支撑框架的位移和基底剪力均低于普通钢偏心支撑框架的位移和基底剪力,且抵抗超大震作用的能力更强。可更换消能梁段的抗震性能试验结果同样验证了采用低屈服点钢消能梁段后,相邻构件的内力降低,采用现有规范设计的螺栓和端板能够保证连接部位处于弹性状态,实现震后更换的目的。

LYP100钢材大应变下滞回性能

对LYP100钢材进行了单调拉伸试验和大应变下的循环加载试验,为了防止试件受压失稳,循环加载采用标距直径比为1.25的试件。循环加载一共做了4类共计7种加载制度,试验结果表明LYP100钢材具有十分明显的强化特征,表现为随动强化和各向同性强化的混合。通过对不同加载制度结果的对比,LYP100钢材的强化特征表现为同应变幅相关,这在目前的Chaboche模型中并未体现,需要对材料模型进行修改。此外,该文在Chaboche模型的基础上针对等幅加载的试验结果做了参数标定,采用标定后的结果进行计算,计算的结果表明Chaboche模型存在无法考虑应力强化同应变幅相关的缺陷。

低屈服点LYP160钢材本构关系研究

为了研究低屈服点钢材LYP160的本构行为并提出循环本构模型,进行了此种钢材的循环加载试验,研究其受力性能,包括单调受力性能、滞回性能、破坏模态及耗能能力等。利用Ramberg-Osgood模型,得到材料骨架曲线。采用Chaboche模型,确定了循环本构模型的关键参数,利用此模型预测低屈服点钢板剪力墙结构的滞回行为。结果表明:低屈服点钢材LYP160虽然初始屈服点低,但其抗震性能较好,延性约为普通钢材及高强度钢材的2.3~2.8倍;能量耗散系数在3.6左右,耗能能力明显高于普通钢材和高强度钢材,提高幅度约30%,LYP160钢材具有显著的单调及循环强化性能,具有较高的承载能力,其滞回特性包含了各向同性强化与随动强化两种特征,其中各向同性强化行为具有控制作用,这与普通钢材及高强度钢材有明显的区别。

低屈服点钢材与Q345B和Q460D钢材本构关系对比研究

为进一步探讨材料本构行为对构件及结构受力性能的影响,首先,进行了LYP100低屈服点钢材的本构关系试验研究,分析此材料的单调性能、滞回性能、耗能能力及循环本构模型等。在此基础上,全面对比LYP100和LYP160低屈服点钢材、普通钢材(Q345B)及高强度钢材(Q460D)的本构关系。最后,通过对比不同钢材的循环本构模型以及理想弹塑性模型对结构构件滞回行为的预测结果,深入研究材料本构关系对构件及结构的重要影响。结果表明:低屈服点钢材单调以及循环强屈比均在2.0~3.0以上,是普通钢材以及高强度钢材的2.0倍~3.0倍。同时,低屈服点钢材具有更好的延性和耗能能力。由于低屈服点钢材具有显著的各向同性强化行为,其采用循环本构模型和理想弹塑性模型的计算结果差异更大。因此,在结构计算分析中,需要根据所采用的钢材选取适当的本构关系模型。

带LYP160钢连接组件的扩翼型盖板连接节点抗震行为研究

为在新型城镇化进程中推广使用带有震后可更换构件的结构体系,对钢框架体系中带低屈服点LYP160钢材盖板连接组件的节点进行梁柱连接部位扩大梁翼缘截面的改进,提高节点承载能力及“保险丝”作用效果。采用通用有限元软件ABAQUS建立全螺栓连接节点数值模型,结合国内外典型试验结果,验证数值模型的准确性和适用性。通过建立不同扩翼程度、不同削弱程度的盖板连接节点模型,对比其承载性能、滞回性能、断裂性能以及耗能能力等,深入探讨不同扩翼程度对不同削弱程度的扩翼型盖板连接节点抗震行为的影响,并给出此类节点的设计流程,为工程应用提供参考依据。研究结果表明:扩大梁端翼缘截面可增加盖板连接组件耗能,减少主体结构进入塑性程度及耗能比例,有效转移塑性铰位置,提高节点“保险丝”作用效果及作用时间;随着扩翼程度的增大,节点所需的承载力系数设计值提高,使节点避免过度削弱,兼顾正常使用承载能力及可更换“保险丝”作用,但当扩翼达到一定程度后,对盖板连接组件耗能比例的提高作用有限;基于计算结果拟合得到节点承载力系数限值与扩翼系数的关系曲线,为保证“保险丝”作用充分发挥,应保证承载力系数设计值小于承载力系数限值,扩翼型节点的承载力系数限值比未扩翼型节点提高22%,实现对节点进行较小削弱就能充分发挥“保险丝”作用效果的目标。

梁端填充低屈服点钢材的梁柱连接减震性能试验与损伤分析

传统钢结构节点通常按刚性节点理念进行设计,其实际抗震性能可能达不到设计预期。梁端削弱型梁柱节点虽然能够初步实现"强柱弱梁",但在削弱区会产生局部屈曲,在强震作用下安全储备不足。基于可恢复功能结构理念,提出采用低屈服点钢材对梁翼缘和腹板的削弱处进行填补,使低屈服点钢材在地震中率先屈服并充分耗能,以降低节点主体的损伤,并可在震后对低屈服点钢材进行更换。针对现有地震损伤模型的不足,提出基于弹塑性耗能差率的能量损伤模型,从而更准确细致地评价钢梁端连接的损伤性能。试验加工制作了相应的传统钢节点、削弱钢节点和填充式耗能钢节点,并进行低周往复加载试验研究。通过多种性能评价参数,对梁端连接的减震性能进行综合评估。结果表明,填充式耗能钢节点具有更加优良的承载能力、延性和耗能能力。此外,所提出的能量损伤指标可以更好地反映梁端连接损伤演变过程及其损伤规律。

设置低屈服点钢材“结构保险丝”的延性钢框架连接节点受力性能研究

为改善钢框架梁柱连接节点的受力性能,保护主体结构在地震作用下不损坏,实现震后建筑功能可快速恢复,提出一种设置低屈服点钢材"结构保险丝"的可更换连接组件的全螺栓连接延性节点。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性计算模型,结合已有钢框架螺栓连接节点拟静力试验,验证数值模型的准确性和适用性。在此基础上,建立不同连接形式、不同连接组件材料的节点模型,分析设置低屈服点钢材"结构保险丝"的螺栓连接节点的受力行为和作用机理。分析结果表明:采用低屈服点钢材的连接组件,能够耗散80%~95%节点能量,较好保护主体钢框架保持在弹性范围,充分发挥"结构保险丝"作用,实现震后功能可快速恢复的目标;实际承载力系数决定"结构保险丝"是否发挥作用,随着实际承载力系数的提高,节点的破坏由连接组件逐步转移到主体钢框架。并且由于钢材的循环强化行为,在加载过程中,连接节点的承载力均有明显的强化现象,在设计时应予以考虑,保证实际承载力系数在延性节点转角变形范围内小于1.0,避免"保险丝"设计过早失效;在达到同样转角的情况下,扩孔型节点进入塑性程度较小,总体耗能较小,这主要是由于扩孔型节点主要靠扩孔螺栓滑移增加节点变形能力,保护主体结构,"结构保险丝"机理与其他两种形式的节点有所不同。

低屈服点钢材剪切型阻尼器试验研究

提出一种采用钢管加劲形式的新型剪切型金属阻尼器,该阻尼器主要由中心剪切板、面外加劲钢管、两侧翼缘加劲板与连接头四部分组成,主要通过中心剪切板剪切变形的发展耗散地震输入的能量。低屈服点钢材LYP225钢屈服强度较低,强化水平适中且延展性能优异,适用于制作金属阻尼器,因而选用LYP225钢制作剪切阻尼器的中心剪切板。为评估采用低屈服点钢材LYP225的剪切型阻尼器的弹塑性滞回响应、超低周疲劳破坏特征以及耗能减震能力,设计并完成了阻尼器试件的拟静力试验。试验针对采用普通翼缘与"狗骨"式削弱翼缘两种加劲构造方式的三个足尺试件,采取两种滞回加载制度,考察了剪切型阻尼器在循环加载下的基本力学特性与超低周疲劳性能,对比分析了不同翼缘构造对试件失效模式的影响。试验结果表明,采用LYP225低屈服点钢制作的剪切型金属阻尼器延展性能较好,其极限剪切角可达4.7%;在循环加载下没有发生构件失稳现象,滞回曲线饱满;耗能能力较强,其等效阻尼比可稳定维持在0.5左右;同时超低周疲劳性能较好,在设计位移之下加载30圈,其承载力水平较为稳定,裂纹发展较为轻微。剪切型阻尼器在利用芯板充分发展剪切变形耗散能量的同时,两端翼缘板在焊脚处的较早开裂在一定程度上限制了阻尼器的变形能力,而采用"狗骨式"削弱翼缘加劲形式可以有效地延缓其裂纹萌生。剪切阻尼器在试验中的实测最大超强系数达1.63,该超强现象能提高阻尼器的滞回耗能能力,但在结构体系的设计中需要着重考虑,以避免主体结构构件发生次生破坏。

配置低屈服点角钢连接件的钢框架节点损伤控制及优化设计

为实现结构损伤控制以及震后可快速恢复,提出一种配置可更换低屈服点角钢连接件的钢框架节点。采用ABAQUS有限元软件建立连接节点数值分析模型,并采用典型试验结果进行验证。利用上述数值分析模型,建立不同削弱策略、不同连接件材料的节点模型,优选损伤控制模式。然后,通过建立不同削弱程度、不同连接件耗能段长度的节点模型,分析这2个参数对角钢连接节点抗震性能以及结构保险丝功能的影响,并提出设计建议。研究结果表明:采用低屈服点钢材的连接件,耗能占各部件总耗能比例可达95%,有效保护主体结构,保证节点延性。综合考虑加工难度、耗能比例、结构保险丝功能和材料利用率等,配置角钢薄腹板削弱策略是优选解决方案。随着削弱程度的增加,角钢连接件塑性变形和耗能比例逐渐增加,结构保险丝功能有效提高;随着耗能段长度的增加,角钢连接件耗能比例增大,说明此措施能够在不过度削弱节点承载能力的情况下有效保护主体结构;但当耗能段超过1.0倍梁宽时,耗能段屈曲变形明显,影响节点延性,同时耗能提高不明显。因此,在控制设计承载力系数不超过1.0,适当增加耗能段长度(不超过1.0倍梁宽),可有效提高结构保险丝作用效果。

可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能研究

为满足高烈度、高人口密度地区对高延性和高耗能能力装配式钢结构的迫切需求,采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材来制作钢框架节点连接组件,利用高强度螺栓与主体结构连接,实现预制装配功能、"延性耗能保险丝"功能、震后可更换功能的叠加。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性全接触有限元模型,结合国内外已有的钢框架全螺栓连接节点循环加载试验,验证建立的数值模型对模拟局部屈曲以及螺栓滑移现象的准确性。在此基础上,通过建立三类典型带连接组件的全螺栓连接钢框架节点数值模型,采用三种不同材料LYP100、LYP160和Q235制作连接组件,对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等,深入探讨采用低屈服点钢材连接组件钢框架节点的工作机理。结果表明:连接组件采用低屈服点钢材,可改变节点破坏模式,使塑性累积变形主要集中在连接组件上,耗散大部分能量(90%左右),避免主体结构过早进入塑性阶段,有效发挥"延性耗能保险丝"作用;带低屈服点钢材连接组件节点的耗能能力高于带普通钢材连接组件的节点;当节点转角达到0.045 rad时,低屈服点钢材连接组件的最大伸长率远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变,说明连接组件仍具有较大的变形空间,不会发生提早断裂破坏,有效提高节点延性。

安装软钢阻尼器的钢框架结构抗震性能研究

为探讨安装极低屈服点软钢阻尼器的钢框架结构抗震性能,对地震观测用的三层钢框架结构实施了拟动力试验,输入的地震波为该结构历年的地震观测记录.本次拟动力试验选用了4个地震波记录,分安装阻尼器和未安装阻尼器两种情况共计进行了8次试验.试验结果表明,软钢阻尼器可以有效地减小结构的地震反应,结构地震反应的试验结果和观测结果具有良好的一致性.

防屈曲支撑框架与普通支撑框架的抗震性能比较

利用有限元软件ABAQUS6.5对普通中心支撑框架结构、采用低屈服点钢材的防屈曲中心支撑框架结构模型进行了大震时程分析。发现采用低屈服点钢材的防屈曲支撑,不仅解决了支撑杆件的失稳问题,而且明显减小了结构位移等响应,优势明显。