装配式可更换分级屈服耗能连接集成形状优化及试验研究

为增强装配式混凝土框架结构的可恢复性,提出一种可更换分级屈服耗能连接,通过在梁-柱节点处设置该连接可实现对结构屈服过程的有效控制。针对分级屈服耗能连接中的弯剪部件,基于等效应力屈服强度理论推导得到弯剪部件考虑等应力屈服的形状曲线,通过Python集成Abaqus数值模型和优化算法获得低周疲劳性能最优的形状曲线。对5个分级屈服耗能连接试件开展低周往复加载试验,研究其滞回性能和变形能力等抗震性能,评价形状优化后分级屈服耗能连接的性能水平,并对弯剪部件影响参数进行分析。结果表明:优化后弯剪部件的塑性应变分布更加均匀,耗能能力和材料利用率明显提高;同时弯剪部件经优化后的分级屈服耗能连接试件变形能力显著增强;随着弯剪部件的等应力屈服高度比或高宽比减小,分级屈服耗能连接的承载能力和耗能能力均逐渐提高,但刚度退化速率逐渐加快;各试件变形及损伤主要集中在弯剪部件和屈曲部件,且均实现了分级屈服的耗能机制,说明分级屈服耗能连接能够有效控制结构的屈服过程。

装配式可更换分级屈服耗能连接疲劳试验及变形性能研究

针对装配式混凝土梁-柱节点,提出一种可更换分级屈服耗能连接(replaceable graded-yielding energy-dissipation connector,RGEC),以实现结构屈服损伤可控并增强震后可恢复性。为研究RGEC的疲劳性能、耗能能力等力学性能,对5个试件开展低周往复加载试验。试验结果表明:RGEC具备良好的疲劳性能和稳定的滞回性能,其滞回曲线表现出明显的分级屈服机制;各试件在正常工作阶段的刚度、承载及耗能能力基本稳定,接近破坏时依然保持较充分的性能储备,破坏形式主要表现为弯剪段的弯剪破坏。针对RGEC弯剪段和屈曲段的变形性能,基于ABAQUS软件开展参数分析。结果表明:屈曲段的应变分布不均匀现象随着宽厚比或约束间隙的增大逐渐加重,同时其屈曲波数随宽厚比的增大逐渐增加;弯剪段的变形模式随着等应力屈服高度比或高宽比的减小逐渐由弯曲变形转变为剪切变形。

分级屈服耗能支撑框架结构滞回性能分析

环形钢分级屈服耗能支撑由工字形传力支撑和端部金属阻尼器通过焊接连接组成.金属阻尼器由环形钢及内填弯曲板和剪切板构成,通过剪切板、弯曲板与环形钢先后屈服进入塑性耗能.本文将其放入框架结构中,利用ABAQUS有限元分析软件,分析耗能支撑框架结构在不同设计参数下的承载能力和滞回性能,明晰了其最优构造形式和工作机理.研究结果表明:环形钢剪切板分级屈服耗能支撑框架结构滞回曲线呈梭形,具备优秀的承载能力和耗能能力,能够实现分级屈服耗能目标.耗能剪切板的厚度、数量及弯曲板的厚度是影响支撑和框架各项性能的主要因素.剪切板和弯曲板越厚,结构的承载能力和变形能力越好.随着循环位移的加大,支撑在整体结构中的耗能占比逐步减小,但整体框架始终主要由支撑耗能.

弯剪复合分级屈服阻尼器设计与力学分析

为提升弧形钢板阻尼器的耗能能力,调整阻尼器的刚度,提出一种弯剪复合分级屈服阻尼器。借助有限元分析软件ANSYS建立21组模型试件,通过对数值结果的统计分析,总结复合阻尼器中软钢棒直径、弧形钢板半径及宽度和厚度等参数对阻尼器耗能性能的影响规律,并给出了复合阻尼器各项设计参数的建议取值,同时结合对单体耗能构件的数值分析,提出了弯剪复合分级屈服阻尼器的三线性恢复力模型并对其进行验证。研究结果表明:弯剪复合分级屈服阻尼器的初始刚度随软钢棒直径的增大而上升,其耗能能力随软钢棒直径、弧形钢板半径以及厚度的增大而增加,复合阻尼器的二级屈服位移随弧形钢板半径和厚度的增大而减小;所提恢复力模型最大相对误差不超过8%,可准确描述该复合阻尼器的力学性能。

分级屈服型金属阻尼器抗震性能研究

提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究,揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制,研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明,该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能,而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数,并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式,通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时,也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。

分级屈服型金属阻尼器减震性能分析

本文提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的新型分级屈服型金属阻尼器,阐述了其构造形式和耗能机理,提出其三折线骨架模型并采用三折线随动强化模型模拟分级屈服型金属阻尼器的滞回性能,与试验结果进行了对比分析。利用SAP2000有限元分析程序,分别对纯混凝土框架结构和装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构进行小震、中震和大震下的弹塑性动力时程分析。研究结果表明,分级屈服型金属阻尼器的滞回环饱满,三折线随动强化模型可以较好地模拟阻尼器的滞回特性,其预测结果与试验结果吻合较好。装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构在不同水准的地震作用下均具有较好的抗震性能,结构的地震位移响应明显减小。小震下阻尼器内环开始屈服耗能,外环保持弹性,为结构提供附加阻尼和附加刚度。中震下阻尼器外环开始屈服,和内环一起耗能,实现了内外环分级屈服耗能。大震下阻尼器能有效地控制结构的位移响应,提高结构的整体抗震性能。

分级屈服型金属套管阻尼器减震理论与试验研究

传统金属屈服型阻尼器通常只针对中大震设计,在小震下难以发挥耗能减震作用,且存在震后不易观测实用状态和不便更换等不足。为此提出一种新型金属套管阻尼器,利用具有不同屈服性能的钢条分别耗能,具有多级屈服功能。考虑耗能钢条两端半刚性节点的影响,推导并得到该阻尼器的性能参数计算公式。对阻尼器进行拟静力试验,明确该阻尼器的破坏特征和耗能机理。对试验进行有限元精细化模拟,通过应力云图验证阻尼器具有多级屈服特性。将理论计算、试验及有限元模拟得到的性能参数进行对比。结果表明,该阻尼器有效实现了分级屈服的设计目标,并具备良好的耗能能力,提出的性能参数计算公式精度较高,通过理论计算和有限元模拟得到的阻尼器性能参数与试验结果吻合较好,验证有限元模型的合理性和精确性。

方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑滞回性能分析

方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑由传力支撑及端部金属阻尼器通过高强螺栓连接构成,金属阻尼器由方钢及内填剪切板组成,利用内填剪切板和方钢分级屈服进入塑性耗能,可有效提高支撑的耗能能力,避免支撑斜杆失稳。阐述了其构造形式和工作机理,利用有限元软件ABAQUS对其进行了模拟分析,研究了不同设计参数对其滞回性能的影响。研究结果表明:方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑的滞回曲线饱满,耗能能力和承载能力优越,变形能力强;剪切板布置形式、耗能部分宽度和剪切板厚度对支撑耗能性能影响较大;方钢与剪切板四周均连接的满布方式,耗能效率高,支撑承载能力和耗能能力较好;耗能部分宽度越窄,剪切板越厚,支撑的承载能力越高,初始刚度越大,变形能力相对差。最后给出了方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑的初始刚度和屈服承载力计算公式,计算结果与有限元模拟分析结果吻合较好。

分级屈服型防屈曲支撑框架结构抗震性能

为了解决普通防屈曲支撑(buckling-restrained brace,BRB)在多遇地震下不耗能的问题,提出了一种分级屈服型防屈曲支撑(double-stage yielding buckling-restrained brace,DYBRB)。首先介绍了DYBRB的构造与原理,并对其进行了理论分析;然后采用ABAQUS有限元软件对DYBRB进行了性能分析;最后建立了分级屈服型防屈曲支撑框架(double-stage yielding buck-ling-restrained braced frame,DYBRBF)结构与普通防屈曲支撑框架(buckling-restrained braced frame,BRBF)结构的有限元模型,对二者在多遇及罕遇地震下的抗震性能进行了对比分析。结果表明:本文推导的理论公式精确度较高,可用于DYBRB的初步设计;DYBRB滞回曲线饱满,分级屈服特征明显,其延性与等效黏滞阻尼比较大,耗能能力优良;在多遇及罕遇地震作用下,DYBRBF结构最大层间位移角相较于BRBF结构均减小,DYBRB的滞回曲线较BRB更饱满,耗能能力更优。

关于分级单屈服面模型的几个问题的探讨

在大理岩、红砂岩和花岗岩的单轴压缩和常规三轴压缩试验的基础上,发现它们的极限包络线可以大致设为一条平均直线,利用此直线可以确定其斜率和粘结应力。用于计算硬化的两个硬化系数应选取应力-应变曲线上应力峰值前若干点的数据计算。试验发现岩石的破坏与阶段改变处相距不远,不能用 Desai 提出的方法确定阶段改变参数 n。笔者认为取稍大于 2 的值是比较合适的。在预测材料的应力-应变曲线时,提出一种简单实用的方法,即把岩石初始压密阶段的终点作为初始状态,用该点的应力状态计算初始的硬化参数和累积塑性应变。

分级单屈服面模型在ABAQUS中的实现及验证

基于ABAQUS软件提供的二次开发平台,开发了土体分级单屈服面弹塑性本构模型的子程序,并完成了2个典型的算例。计算结果与Desai计算结果及模型试验实测结果进行了对比,检验了模型的正确性。给出了在ABAQUS中开发弹塑性本构模型的基本步骤和编程要点,可为其他用户进行本构模型的修改提供借鉴与参考。模型的成功开发可为建筑结构的地基基础有限元分析提供一种适用的本构模型。

分级单屈服面模型的参数优化

对封闭型分级单屈服面模型参数中的阶段改变参数和硬化参数的优化进行了研究。先建立了它们的优化模型,即建立了优化目标函数,确定了约束条件;然后采用拟牛顿法进行优化;对初始步长进行了修正,以避免方向不理想时时修正量的过大估计。优化结果表明,用优化的硬化参数预测的岩石应力——应变曲线的弹塑性部分更接近试验曲线。

扰动状态理论在岩土力学问题中的应用

基于扰动状态理论,提出岩石三轴受压响应和土的应力各向异性响应描述方法。扰动状态理论认为,材料受荷时的响应是2种参考状态响应的加权平均。处于相对完整状态下的材料响应和处于调节后状态下的材料响应,是以一个扰动因子作为权函数相加构成材料的真实响应。扰动状态理论的指导思想是平均化,参考状态本身并不发生劣化过程。在岩石的三轴受压响应描述问题中,应用理论拟合红砂岩常规三轴受压试验全过程应力-应变关系曲线,其相应的试验是在RMT-150B岩石力学试验系统下完成。从压密点开始描述应力-应变关系。扰动因子的参数取值与围压相关。在土的应力各向异性响应描述问题中,利用单屈服面分级模型,叠加各向异性扰动因子,使材料响应表现出应力各向异性性质。扰动因子向量的方向与材料单元体应力主方向相同。给出应力各向异性扰动状态理论的有限元实现过程,包括物理量初始值确定、应力状态判断和强化漂移修正的具体步骤。2个相应算例分别证明该方法的有效性。

HISS模型在ABAQUS中的三维实现、验证和应用

分级单屈服面(HISS)模型的屈服面是单一光滑的函数,解决了"帽子"模型存在的数学不完备问题。该文介绍了HISS模型中非关联流动法则各向同性硬化的1?模型及其主要参数对屈服面的影响,使用MATLAB对一个高斯积分点进行加载试验,观测了在加载过程中应力路径及屈服面的变化;基于ABAQUS有限元程序提供的二次开发平台,首次编写了土体HISS模型的三维用户材料子程序。使用ABAQUS外接该文开发的用户子程序模拟了Leighton Buzzard砂土的4种三轴试验算例(静水压试验、常规三轴压缩试验、三轴压缩试验和三轴拉伸试验),并将计算得到的应力-应变关系和体积变化与实验观测结果对比,模型计算的结果与实验结果符合较好,验证了HISS模型用于砂土性质描述的适用性,并将模型用于分析分层路基的平板载荷试验。HISS模型三维子程序的实现为ABAQUS分析三维土体弹塑性问题提供了一种新的本构关系。