单跨两层含减震外挂墙板装配式混凝土框架拟静力试验研究

该文在对一个含减震外挂墙板平面框架(简称减震结构)以及一个作为对比的纯框架(简称抗震结构)进行混合试验的基础上,进一步对其单跨2层试验子结构进行了拟静力试验,研究了两结构在水平地震作用下的受力过程、损伤模式及减震外挂墙板对主体结构抗震性能的影响。研究结果表明:减震结构和抗震结构的破坏机制均为梁端和柱底出现塑性铰的梁铰机制,减震外挂墙板未改变主体结构的破坏模式;减震结构中,在最大层间位移角达到1/55之前,消能器呈预期的履带式滚动变形,此后由于外挂墙板的面内转动变形,消能器水平剪切变形值增加不大,且圆弧段产生明显变形;试验过程中减震外挂墙板未出现裂缝;墙板与框架间上部线连接处裂缝宽度较小,连接钢筋应变也较小,表明连接可靠;两试件均具有较好的变形能力和耗能能力;在相同位移级别下,减震结构的刚度、极限承载力和耗能能力均更好。

中空波纹夹层钢管混凝土柱抗震性能拟静力试验研究

为了研究中空波纹夹层钢管混凝土柱的抗震性能,以轴压比、空心率、长细比和截面形式为试验参数,开展了中空波纹夹层钢管混凝土柱的拟静力试验,分析了试件的破坏模式、承载能力、延性与耗能能力、刚度退化和强度退化等性能指标.结果表明:中空波纹夹层钢管混凝土柱的水平承载力较高,滞回曲线饱满,无明显捏缩现象,延性和耗能能力良好,同级循环荷载作用下性能稳定;试件的破坏模式为延性破坏,具体表现为柱底钢管鼓曲变形、混凝土压溃、局部缺陷处管壁撕裂;空心率较小的试件承载力较高,耗能能力较强;当长细比由20增至30时,试件位移延性系数降低了47.49%,承载力也明显下降;随着轴压比的增大,试件耗能能力逐渐降低.

小剪跨比铁路圆端桥墩拟静力试验及易损性分析

为厘清小剪跨比圆端铁路桥墩横桥向的地震损伤机理,以国内某铁路沿线桥梁为参考开展3组缩尺比1∶8的拟静力试验,对滞回曲线的延性、残余位移、滞回耗能和刚度退化4个方面进行分析,以试验结果为参考使用OpenSees建立纤维截面有限元模型并进行耐震时程动力计算,以桥墩的位移延性比为损伤指标,基于试验中观察得到的4个关键节点定义无、轻微、中度、严重和完全损伤5种损伤状态之间的位移延性比临界值,通过易损性分析桥墩的损伤发展历程。研究结果表明:1)配筋率从0.3%提升至0.7%,桥墩的承载能力提高至1.37倍,极限位移提高至1.22倍,最终残余位移提高至1.55倍,耗散能量增加至1.80倍,初始刚度提升至1.08倍,最终刚度提升至1.12倍。提高配筋率可以提升桥梁抗震性能,也能增加桥梁抗震韧性。2)当桥墩配筋率由0.3%提至0.7%时,在多遇地震下,轻微损伤概率从87.2%降为29.8%;在设计地震下,中度损伤的概率从63.5%降为30.0%;在罕遇地震下,严重损伤的概率从61.7%降为16.4%。纵筋配筋率可以大幅降低桥墩的损伤概率,提升桥墩的抗震性能。3)在现行铁路规范允许的延性系数为4.8时,3个桥墩均处于严重损伤的阶段。当发生罕遇地震时,3个桥墩出现完全破坏的概率为6.4%、0和1.4%,小剪跨比圆端铁路桥墩在强震作用下具有一定的抗震安全储备。

新型连接方式内嵌墙板钢框架拟静力试验研究

为了研究基于新型连接方式下内嵌墙板与钢框架结构的地震协同工作性能和破坏机理,对新型连接方式内嵌墙板钢框架、传统L形卡件连接内嵌墙板钢框架及纯钢框架等3种工况进行了拟静力试验,对比分析了3个试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线等抗震性能指标。结果表明:内嵌墙板能够提高钢框架的极限承载力、变形能力和刚度,传统L形卡件连接墙板钢框架的抗震承载力是纯框架抗震承载力的1.34倍,新型连接方式墙板钢框架的抗震承载力是传统节点框架抗震承载力的1.42倍。当加载位移为12 mm(层间位移角为1/133)时,采用传统连接的试件中间墙板破坏较为严重且已达到混凝土极限应变,而采用新型连接的试件中间墙板未发现明显损伤,仍处于工作状态。新型连接通过连接节点处的连接件滑动耗能,延缓墙板开裂时间,减轻墙板损伤,增加了内嵌墙板钢框架大震下的耗能储备。

HIC墙板-钢框架结构拟静力试验研究

为研究不同连接方式下中空内模水泥(hollow inner-formwork cement, HIC)墙板-钢框架结构的抗震性能,文章设计了2种内嵌式连接方式。通过对1榀钢结构空框架足尺试件和2榀内嵌HIC墙板的钢框架足尺试件进行拟静力试验,分析不同试件的破坏特征、承载力与变形性能、刚度退化和耗能能力,综合评估该结构的抗震性能。研究表明:内嵌式连接下,HIC墙板-钢框架结构的抗侧刚度提高3.31倍以上,峰值承载力提升29%以上,延性系数达到6.20,最终破坏时的总耗能增加约47%;结构塑性开展过程稳定有序,墙板与钢框架采用“梁上点连接”或“周边线连接”时,结构的破坏模式存在差异,但两者均能提供安全可靠的连接效果。

基于OpenSEES和ABAQUS有限元模型的剪力墙拟静力试验研究

为保证模拟精度并提高钢筋混凝土剪力墙有限元模型计算效率,分别采用ABAQUS软件和OpenSEES软件建立精细化和简化有限元模型,对1个足尺钢筋混凝土剪力墙试件拟静力试验进行数值模拟分析,从试验现象、破坏模式、裂缝发展趋势、应变、滞回曲线等方面进行对比验证。结果表明:在保证模拟精确度的前提下,ABAQUS精细化模型在裂缝发展、墙体损伤等方面与试验现象吻合较好,但模型计算时间较长;OpenSEES简化模型在滞回曲线方面模拟结果与试验结果吻合更好,误差在5%以内,并显著提高了计算效率。

内嵌加劲耗能钢板的箱形钢墩柱拟静力试验及数值分析

地震作用下钢桥墩根部易发生屈曲破坏且震后难以快速修复。基于可恢复功能理念与钢桥墩的受力特征,提出一种具备震后易恢复功能的新型箱型钢桥墩。此新型桥墩通过设置可更换的加劲耗能壁板以增强结构的耗能与变形能力,且震后能够快捷更换受损的耗能壁板以恢复桥墩力学性能。为研究设置加劲耗能壁板的箱型钢墩柱的抗震性能,选取耗能壁板上加劲肋的布置形式、轴压比及耗能板强度等作为影响参数进行拟静力试验,且通过有限元数值模拟,综合探讨此类新型试件在地震作用下的力学性能;并对比分析新型桥墩的受力特点和破坏机理,为此类钢墩柱的数值仿真提供理论基础。结果表明,增设内嵌耗能钢板后,试件的抗震性能得到较大改善;提高耗能板强度后,试件的水平承载力得到较大提高,但其延性与变形能力下降;有限元模拟结果验证了新型钢桥墩良好的抗震性能。在试验研究、理论分析与数值仿真的基础上提出此类新型钢桥墩承载力建议公式,并应用试验结果验证了公式的准确性。

双槽渡槽结构剩余抗震性能拟静力试验研究

为评估大型钢筋混凝土渡槽结构在主震后的剩余抗震性能,以南水北调中线工程某双槽渡槽为原型先进行1/6缩尺振动台试验后,再对渡槽槽身和支架构件分别进行静力和拟静力试验。研究了各构件的破坏模式和剩余抗震能力,同时建立损伤后的有限元模型进行对比验证,并采用能力谱法对渡槽支架结构的剩余抗震性能给予了评估。研究结果表明:主震后槽身试件的破坏模式与以往研究中略有不同;尽管支架试件在主震中产生不同等级震害损伤,在拟静力试验中构件滞回性能、延性系数、承载力衰减、抗侧刚度和耗能性能等参数虽有所差异,但其下降幅度不大且二者损伤发展情况相似;数值模拟结果与试验曲线较为吻合;最后通过能力谱法对渡槽构件的评估说明结构仍具有较好的剩余抗震能力。

上锚式灌浆波纹管连接预制墩柱拟静力试验研究

新型上锚式灌浆金属波纹管连接是将灌浆波纹管预埋于局部增大截面的墩柱中并连接桥梁承台的构造,既具有上锚式的施工便捷性,同时也有良好的经济性。为研究上锚式灌浆金属波纹管连接预制墩柱的抗震性能,进行2根不同墩高的上锚式灌浆金属波纹管连接预制墩柱和1根混凝土现浇试件的拟静力试验,3根试件的缩尺比均为1∶2.5。试验中,各试件受恒定轴向压力,水平荷载以位移控制进行分级往复加载直至破坏。观察试件开裂损伤状态,分析试件的滞回特性、骨架曲线、延性、耗能能力、残余变形等抗震性能。研究结果表明:上锚式试件与现浇试件均形成了有效的塑性铰,但塑性铰形成位置和极限破坏特征有较大差异。上锚式试件在截面扩大段上方形成塑性铰,而现浇试件在墩底形成塑性铰,最终破坏时上锚式试件主筋均未发生拉断,而现浇试件的主筋出现了拉断;上锚式试件的屈服荷载、极限荷载均与现浇试件接近,分别为现浇试件的123.8%和113.7%,而其延性弱于现浇试件的延性,位移延性和曲率延性分别为现浇试件的75.9%和92.3%;墩高对上锚式灌浆波纹管连接试件的破坏模式和破坏特征有很大影响,矮墩未形成有效的塑性铰,表现出更多的剪切破坏特征,且延性差,曲率延性只有高墩试件的38%,耗能能力弱,累积滞回耗能仅为高墩试件的62.2%。研究表明,上锚式灌浆金属波纹管连接预制墩柱的抗震性能与现浇试件相近,具有较高的工程价值和实用意义。

钢丝绳-聚合物砂浆面层竖向-交叉条带加固砌体墙拟静力试验研究

课题组前期试验结果表明,钢丝绳-聚合物砂浆面层交叉条带加固可以提高砌体墙的抗剪承载力,但对于抑制砌体墙尤其是高宽比大于1.5的砌体墙受弯破坏和弯剪破坏的效果不够理想。为进一步研究条带法对加固砌体墙抗震性能的影响,设计制作了1面未加固墙、2面交叉条带加固墙和2面竖向-交叉条带加固墙试件,并进行了拟静力试验。结果表明:交叉条带可提高墙体各阶段荷载,但对高窄墙试件受弯破坏和弯剪破坏的抑制效果不明显;竖向条带可显著降低宏观弯矩对墙体的影响,对高窄墙试件的作用尤为明显,与没有竖向条带的高窄墙试件相比,经竖向条带加固后的高窄墙试件各阶段荷载均有显著提高,滞回曲线更加饱满,耗能能力和延性性能更好。分析了组合墙体的破坏机理,推导了组合墙体的抗弯承载力计算公式和抗剪承载力计算公式,并通过试验数据拟合得到了组合墙体抗剪承载力计算公式的参数。

最佳替代率下石墨尾矿混凝土柱抗震性能拟静力试验

为研究石墨尾矿替代砂子最佳比率及石墨尾矿混凝土柱抗震性能,对4种比率(10%、20%、30%、40%)下石墨尾矿部分替代砂子的混凝土进行了抗压强度、劈裂抗拉强度和静力受压弹性模量等试验,将试验结果与普通混凝土进行对比,确定了石墨尾矿替代砂子的最佳比率,然后以该替代率下的混凝土制作了一个柱试件并进行了拟静力试验,最后根据石墨尾矿混凝土柱破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、刚度特性及耗能能力等结果分析了其抗震性能。结果表明:30%替代率下的石墨尾矿混凝土抗压强度和抗拉强度均最高,弹性模量高于其他替代率,且与普通混凝土相差较小,说明30%为最佳替代率;石墨尾矿混凝土柱在低周往复拟静力加载下呈现弯曲破坏特征,滞回曲线饱满圆滑并具有较好延性,且随着加载位移的增加,试件的割线刚度逐渐减小,等效黏滞阻尼比逐渐增大,整体表现出良好的耗能能力和抗震性能。

新型装配式转动摩擦型梁柱十字耗能节点拟静力试验研究

为提高装配式钢筋混凝土梁柱节点的耗能能力,提出了一种新型梁端转动摩擦耗能器RFED(new Beam-end Rotational Friction Energy Dissipation Device,RFED)。选取钢筋混凝土梁柱十字节点为研究对象,对4个采用不同摩擦片的新型装配式摩擦型往复弯曲耗能节点JD1~JD4进行拟静力逐级加载试验与疲劳性能试验。试验结果说明:①RFED能够通过一定程度的反复转动耗能保护预制梁、柱;②JD2、JD3、JD4滞回曲线均表现为饱满的平行四边形,耗能能力强,JD1耗能能力相对较低,且疲劳试验中承载力衰减程度过大;③JD2滑移荷载不能保持稳定;JD4起滑荷载最大达到滑移荷载的2倍左右,不利于准确控制承载力;而JD3耗能能力强、起滑荷载及滑动荷载稳定。因此,JD3所使用的H62黄铜片且钢材表面喷涂无机富锌漆的摩擦面,最适宜于工程应用。

可修复钢制屈曲约束支撑力学性能试验与数值模拟研究

提出了一种可修复钢制屈曲约束支撑(RBRB),该支撑可通过核心板的局部替换实现支撑修复。RBRB各部件采用螺栓连接,无须拆除屈曲约束盖板即可实现核心板修复替换,修复过程简单。设计了两种不同核心板宽度的RBRB试件,并开展低周往复加载试验,讨论了其滞回性能、失效模式以及累计塑性变形能力。试验结果表明RBRB滞回曲线较为饱满,具有稳定的滞回性能与良好的累计塑性变形能力。RBRB试件在核心板修复后滞回性能与修复替换前保持一致,表明其可修复性较好。对试件开展了数值模拟研究,并与试验结果进行对比,结果显示数值模拟的破坏形式及滞回曲线与试验结果吻合良好。

数据中心典型开关电源柜抗震性能拟静力试验研究

开关电源柜是数据中心(IDC)的重要设备,其在地震作用下的功能和性能表现对数据中心震后功能正常工作有重要影响。本文对一种典型开关电源柜进行了拟静力试验,研究其在水平地震荷载作用下的损伤特征,获得相关力学性能参数,为准确建立开关电源柜有限元分析模型提供依据。试验所用的开关电源柜包括交流柜、整流柜和直流柜三个柜体,试验中对三个柜体分别沿其抗震弱方向进行低周往复加载,逐级增大柜顶位移直至柜体发生严重破坏或丧失使用功能,观察柜体损伤发展过程及特征损伤现象,研究破坏机理,获得承载力-变形滞回曲线。由试验结果分析可知:在加载初期,柜门在柜体内起到了“斜撑”作用,是柜体抗侧力的主要贡献;当柜门的“斜撑”作用失效后,柜体钢框梁柱节点焊缝开裂并逐步延展和柱脚压曲,继而抗侧力框架发生严重破坏,承载力丧失。

基于电磁控制的屈曲约束支撑拟静力试验研究

屈曲约束支撑是一种耗能减隔震构件,近年来已被广泛应用在工程实例中。但是将屈曲约束支撑和控制相结合的研究较少。基于此研制出一种新型屈曲约束支撑,即基于电磁控制的屈曲约束支撑(electromagnetic buckling restrained brace, EBRB)。对6组EBRB进行拟静力试验进行滞回曲线、骨架曲线、延性性能、刚度退化、耗能能力等性能指标分析,并推导出振动控制所需电磁力的计算公式。试验结果表明:通过对电磁力推导的理论值和试验中产生的电磁力实际值的比对发现两者的差值在8%左右,当EBRB填充材料为LC30芯材为Q235钢时其耗能能力是填充材料为C30芯材为DT4的1.08倍,延性性能是填充材料为C30芯材为DT4的1.2倍,并在电磁力的控制下构件的的抗震性能是不加电磁力的控制的1.3倍~1.5倍,提高了传统的屈曲约束支撑的抗震性能,在工程实例中具有较好的应用前景。

考虑地震动持时效应的结构拟静力试验加载制度研究

历次大地震震害表明,地震动持时对工程结构累积损伤有显著影响,长持时地震动作用下结构损伤明显加重,因此确定地震动持时对结构地震反应及损伤的定量影响成为近来一个热门研究课题。拟静力试验是模拟结构地震反应的重要手段,但目前其加载制度很少考虑地震动持时的影响。鉴于此,文中建立了7种周期、4种目标延性、2种本构模型共计56个单自由度体系结构,以114对长、短持时地震动为输入,计算了其位移反应时程,并通过雨流计数法统计分析了自振周期、目标延性及本构模型等参数和结构往复循环次数之间的关系。结果表明,结构非弹性循环圈数与周期和目标延性相关性较强,而结构振幅分布与周期相关性较小,但与目标延性相关性较强。根据统计结果拟合了不同周期结构在长持时地震动作用下的位移振幅分布公式,进而提出考虑地震动持时效应的结构拟静力试验加载制度确定方法,结果可供确定结构拟静力试验加载制度参考。

拟静力试验装置比较与改进

为了精确地模拟建筑结构的实际受力情况,减少试验装置对试件加载过程中的影响,对比分析了不同类型的拟静力试验装置。通过分析拟静力试验装置的加载特征,提出了改进方法。首先,计算了反力横梁引起的附加水平荷载,计算结果表明由试验装置引起的附加水平荷载对开裂荷载或屈服荷载的影响可以达到5.07%~33.39%,因此在进行拟静力试验之前,应确定导轨的摩擦系数,考虑导轨摩擦力对试验结果的影响。其次,将带有球铰的竖向千斤顶倒置安装,可以保证竖向荷载的稳定性;用高精度油压传感器代替荷载传感器,可以减少试验安装的工作量。再次,对于上部设有可移动反力横梁的墙、柱拟静力试验装置,在移动反力横梁上部设置固定横梁,能够抵消由高强钢棒引起的附加水平荷载;在试件底部设置钢梁,与高强钢棒、可移动反力横梁组成自反力体系,可以降低静力台座设计难度。最后,当梁柱节点拟静力试验采用柱端加载方式时,用两根钢索代替支承连杆,用铁环或U形环代替铰支座,可以避免连杆失稳破坏。

UHPC和预制榫卯混合连接装配式RC桥墩拟静力试验

为研究现浇超高性能混凝土(UHPC)和预制榫卯混合连接构造对装配式钢筋混凝土(RC)桥墩抗震性能的影响,以某实桥为背景,按缩尺比1∶5、轴压比0.1设计、制作了4个桥墩试件(ZT-1试件为整体现浇;CFST-1试件为钢管混凝土榫卯和灌浆套筒混合连接;UT-1试件和UT-2试件为现浇UHPC和预制榫卯混合连接,UHPC湿接缝分别位于墩底及距离墩底200 mm处)。通过桥墩试件的拟静力试验,分析各试件的破坏模式,并对比各试件的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力及刚度退化等参数。结果表明:4个试件均为压弯破坏,ZT-1试件和UT-2试件的塑性铰位于墩底,CFST-1试件和UT-1试件发生了塑性铰上移的现象;与ZT-1试件相比,UT-1试件和UT-2试件的峰值荷载分别提高了3.52%和7.09%,位移延性系数分别提高了2.22%和4.60%;与CFST-1试件相比,UT-1试件和UT-2试件的峰值荷载均小于CFST-1试件,但UT-1试件和UT-2试件的位移延性系数分别提高了18.38%和21.14%;UT-2试件的整体耗能能力优于UT-1试件;UT-1试件和UT-2试件的承载能力下降较为缓慢,且变形能力较强,说明现浇UHPC和预制榫卯混合连接的装配式RC桥墩具有较好的抗震性能。

预应力UHPC/RC阶梯桩-土相互作用的拟静力试验研究及数值分析

整体式无缝桥中的混凝土基桩侧向刚度过大,难以满足桥梁的纵向变形,提出一种UHPC/RC材料串联形成的阶梯桩来满足整体桥纵向变形需求。设计制作了2根UHPC/RC阶梯桩模型(无、有预应力),并对其进行水平低周往复荷载试验,通过桩身破坏特点、滞回曲线、骨架曲线、等效黏滞阻尼比、刚度退化等研究其耗能能力及抗震性能。结果表明:无预应力阶梯桩的破坏位置在3倍桩径的埋深位置,桩身开裂时桩顶的位移荷载为8~10 mm;有预应力阶梯桩的破坏位置在6倍桩径的埋深位置,桩身开裂时桩顶的位移荷载为10~15 mm。说明预应力的施加能有效提高阶梯桩抗裂能力及抗震性能,并满足整体桥水平变形需求。采用OpenSees软件对阶梯桩支承的整体桥进行参数分析发现,预应力度、桩上下段长度比与刚度比增大均可提高阶梯桩的水平承载力与变形能力。

UHPC连接预制节段桥墩抗震性能拟静力试验研究

为提高桥墩建造速度和墩柱损伤容限、优化预制节段拼装桥墩的力学性能,提出一种使用超高性能混凝土(UHPC)灌浆料的预制节段连接方式。设计整体现浇试件和UHPC连接预制节段试件开展拟静力试验,对比分析节点的破坏机理以及桥墩的拟静力指标,研究UHPC连接预制节段桥墩抗震性能。结果表明:两试件破坏形态均为弯曲变形为主的延性破坏,但损伤过程差异较大。UHPC在预制节段连接中充分发挥力学性能优势,增强墩柱局部刚度,塑性铰移至下节段UHPC上部接缝附近,在往复荷载作用下墩底接缝持续张开闭合参与耗能,破坏时仅在墩底柱角和接缝处出现少量UHPC剥落现象;装配式试件滞回曲线较饱满,其最大承载力和初始刚度与整体式试件基本一致,二者屈服荷载和极限荷载差值均不超过6%,而屈服位移和极限位移差值分别达到14.49%、17.80%,装配式试件延性系数远大于整体式试件;相比于整体式试件,装配式试件具有更好的刚度保持能力,并且加载后残余变形更小,说明采用UHPC进行节段连接可以有效约束和保护核心混凝土及纵筋,增大桥墩损伤容限;装配式试件耗能能力存在不足,在偏移率为4.65%时仅为整体式试件耗能的73.28%。