混合框架可更换梁的抗震性能及设计方法

针对端板-螺栓连接的RCS混合框架可更换梁,采用ABAQUS有限元软件对其在低周反复荷载作用下的受力性能进行分析。研究了长度系数对其破坏过程、破坏模式、滞回性能、抗剪承载力和塑性转动能力等性能的影响;在此基础上,分析了加劲肋间距对剪切型可更换梁抗震性能的影响。分析结果表明:长度系数可以作为可更换梁破坏模式的控制参数,当长度系数e≤1.45时可更换梁发生剪切破坏,当长度系数e>1.45时发生弯剪破坏;长度系数对试件抗剪承载力影响较大,而加劲肋间距对抗剪承载力的影响不明显。经综合分析,提出了剪切屈服型可更换梁长度系数的建议值,即0.9~1.2。分析结果还表明,该型式可更换钢梁具有良好的承载力和变形能力,其超强系数均大于AISC给出的超强系数建议值;此外,加劲肋加密可有效防止可更换梁腹板的屈曲,进而保证可更换梁的耗能能力与塑性转角,因此,不建议将剪切型可更换梁的加劲肋间距设置过大。基于参数分析结果,从截面尺寸、承载力计算、构造措施和连接设计四个方面,给出了可更换梁的设计方法,并通过试验予以验证,为类似的结构构件设计提供参考。

采用端板螺栓连接的可更换耗能梁抗震及可更换性能试验研究

为研究端板-螺栓连接可更换耗能梁的抗震及可更换性能,设计制作了4个可更换耗能梁试件并进行了拟静力试验,研究不同长度系数对可更换耗能梁抗震性能和可更换能力的影响。结果表明:当长度系数较小时,试件发生剪切破坏,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂;当长度系数较大时,试件发生弯剪破坏,破坏特征包括梁端翼缘-端板焊缝撕裂和梁端翼缘屈曲;所有试件的滞回曲线非常饱满,具有优异的变形能力和耗能能力;可更换耗能梁的抗剪承载力强化明显,超强系数均值为1.9;采用端板-螺栓连接的可更换耗能梁均可实现震后可更换,当梁端残余转角为0.0020 rad~0.0046 rad时耗能梁可以实现震后更换,且更换快捷、操作简单;同时,根据耗能梁构件与带可更换构件的RCS混合框架结构体系的几何变形特征,可以将耗能梁的主要受力阶段划分为正常使用、非必要更换和必要更换3个阶段。

梁端加强板构造对可更换耗能梁段受力性能的影响

为了改善可更换结构体系中可更换耗能构件的受力性能,提出一种梁端端板螺栓+加强板连接构造的可更换耗能梁构件。设计并制作了2个足尺的剪切屈服型可更换耗能梁试件,对其进行拟静力反复加载试验,并采用ABAQUS软件进行有限元模拟分析,探讨梁端连接构造对可更换耗能梁破坏模式、承载力、梁端塑性应变等特征的影响。试验结果表明:试件的破坏模式为腹板-加劲肋焊缝断裂或翼缘-端板焊缝断裂,试件具有良好的承载力和耗能能力;梁端加强板构造能有效转移梁端翼缘-端板焊缝区域的塑性应变,避免构件提前发生翼缘-端板焊缝断裂,导致无法满足其变形和震后可更换需求;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。对5类梁端加强板构造模型进行非线性分析,结果表明,该类梁端构造均能改善梁端翼缘-端板焊缝区域应力集中现象,优化其受力特征。提出可更换耗能梁梁端端板螺栓+加强板构造的设计方法,并通过有限元模型验证了其可行性。

剪切屈服型可更换耗能梁的抗震性能研究

针对传统结构震后修复能力不足,带可更换构件的混合框架结构体系在地震作用下,可更换耗能构件集中损伤和耗散地震能量,保护其他构件不损伤或轻微损伤,更换损伤的耗能构件,即可实现结构预定功能震后可恢复。通过3个可更换耗能梁试件,研究其抗震性能。在此基础上,通过SAP2000有限元建模,对带可更换构件的混合框架结构进行非线性分析,研究整体结构体系的屈服机制、承载力和可更换耗能构件的可更换性能。结果表明:试件均发生剪切屈服型破坏,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂。各试件的滞回曲线非常饱满,具有优异的承载能力、变形能力和耗能能力;在地震作用下,带可更换构件的混合框架结构体系中各构件能够实现良好的有序屈服机制,可更换耗能构件具有较好的可更换性。

短型长度系数对耗能梁抗震性能的影响试验及有限元研究

与传统框架结构体系相比,带可更换构件的框架结构体系能够实现震后建筑结构功能快速恢复,减少地震作用对建筑结构正常生活和生产的影响。为研究可更换耗能梁的抗震性能,共设计并制作4个试验试件,对其进行低周反复加载,研究其破坏特征、滞回性能、骨架曲线。利用ABAQUS软件建立了可更换耗能梁精细化有限元分析模型,研究短型长度系数对可更换耗能梁抗震性能的影响规律,分析建模方法的可靠性。该研究提出了剪切型可更换耗能梁抗剪承载力的计算公式,可供工程设计参考使用。研究表明:试验中可更换耗能梁发生剪切屈服型与弯剪屈服型两类破坏模式,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、翼缘屈曲和端板焊缝撕裂;试件具有良好的承载力与变形能力,能够实现震后可更换;有限元分析与试验结果吻合良好,建模方法可行。随着试件长度系数的增加,耗能梁的承载力、变形、耗能能力等均减弱,试件翼缘抗剪贡献可达梁段抗剪承载力的10%以上。与Popov等的建议值1.6相比,当耗能梁的长度系数接近1.4时,试件破坏模式由剪切型破坏向弯剪型破坏模式转变。

带可更换耗能梁的结构体系研究进展

可更换耗能梁作为一种新型的功能可恢复结构已经逐渐成为当前学者研究的热点。为了研究可更换耗能梁的发展前景,对剪力墙结构、框架结构、框架-支撑结构体系中的可更换耗能梁进行了论述,总结了国内外学者对于可更换耗能梁的设计方法。通过分析不同体系下可更换耗能梁的抗震性能,结果表明:可更换耗能梁设计简单、更换方便、传力明确。带可更换耗能梁的结构具有较好的抗震性能和可更换性能,耗能和损伤能够集中在可更换耗能梁部分,震后通过更换可更换耗能梁即可快速恢复结构的使用功能。可为今后功能可恢复结构的研究提供理论基础。