功能可恢复RCS混合框架结构研究进展

钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)混合框架结构以其结合了混凝土优异的抗压性能及钢材优异的抗弯性能而受到广泛关注,而可恢复功能结构以其震后快速恢复使用功能的能力,也成为地震工程界研究的新热点。功能可恢复RCS混合框架结构可以在弯矩较大的梁端和柱脚部位设置可更换构件,实现结构的功能可恢复能力。文中简述了近年来功能可恢复RCS混合框架结构研究进展,重点关注各类型功能可恢复钢梁、功能可恢复摇摆柱脚的构造研究,介绍了功能可恢复RCS混合框架结构性能分析研究进展。最后,对功能可恢复RCS混合框架结构仍需深入研究的问题进行了展望。

带可更换构件的RCS混合框架结构受力特性及抗震设计方法

提出一种带可更换构件的RCS混合框架结构,其结构组成包括耗能框架和主框架,利用可更换构件损伤集中耗能,地震后通过更换受损可更换构件实现结构功能快速恢复。采用SAP2000对14榀框架结构进行非线性静力分析,对比研究了混合框架的受力性能,明确了混合框架的屈服机制及受力状态。分析了可更换梁的破坏模式、截面形式及布置位置,耗能框架的跨度及布置位置等参数对混合框架受力特性的影响。基于受力特性分析结果,提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准的划分方法,并将弹性刚度比(KDF/KMF)和屈服位移比(Δ2/Δ1)两个参数作为结构弹性设计的控制参数。采用SAP2000对8榀混合框架结构进行动力时程分析和非线性静力分析,提出了满足不同性能水准的层间位移角限值,以及对结构进行弹性设计时控制参数的取值范围;并结合结构的不同性能目标,进而提出混合框架结构基于双参数的抗震设计方法。研究结果表明,该混合框架结构具有良好的屈服机制,剪切型可更换梁耗能能力较强,自定义截面可更换梁有利于实现结构震后功能恢复,楼面层与层间同时布置可更换梁、增大耗能框架的跨度均能提高结构的刚度和承载力;此外,当弹性刚度比为2.8~4.3,屈服位移比大于1.8时,结构可以达到预期受力状态,且具有较好的可更换性,所提基于双参数的抗震设计方法是有效的。

基于刚度和位移带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法

带可更换构件的RCS混合框架结构作为一种新型的可恢复功能结构,其抗震设计方法尚不明确。基于其结构受力特性及现行抗震规范中性能水准的划分,提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准,明确了结构在不同性能水准下的受力状态和指标限值。将弹性刚度比和屈服位移比作为结构设计控制参数,提出了基于双参数的带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法,并给出了抗震设计的具体实施步骤和构件截面设计方法。通过非线性静力分析及动力时程分析,对一幢3层带可更换构件的RCS混合框架结构进行抗震设计。分析结果表明:结构能满足预期的不同性能水准,所提抗震设计方法是有效性的。

基于改进Park-Ang双参数模型的RCS混合框架结构地震损伤评估

为了评估钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构在地震中的损伤程度,基于Park-Ang双参数地震损伤模型,通过修正相关参数,建立了适用于RCS混合框架结构的地震损伤模型。通过分析楼板对模型关键参数的影响,给出了考虑楼板影响的组合梁构件极限变形计算公式,并对其有效性进行了验证;基于试验结果,通过使构件破坏点损伤指数等于1的方法进行反演,得到组合梁构件循环荷载影响参数β。给出了结构不同破坏程度对应的损伤指数范围,并提出了该种结构的地震损伤评估方法。对一栋4层RCS混合框架结构在El-Centro波作用下的损伤程度进行评估,结果表明:该文提出的地震损伤模型能够比较好地反映RCS混合框架结构的损伤演化过程与程度,研究结果为RCS混合框架结构的地震损伤评估与基于性能的抗震设计方法提供了理论依据。

用于RC框架-轻钢增层混合结构的露出式刚接节点抗震性能试验研究

上下部结构的连接节点是RC框架-轻钢增层混合结构抗震设计的关键所在,对两个上柱分别为工字形和箱形的露出式刚接混合节点进行低周反复加载试验,通过对比分析节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、强度退化、刚度退化、耗能能力,研究了RC框架-轻钢增层混合结构的上部结构截面形式的不同对露出式刚接节点抗震性能的影响。试验结果表明:两个试件均在混凝土梁根部发生剪切破坏,上部为箱形钢柱的节点,滞回环更为饱满,捏拢较少,承载能力、强度与刚度退化能力、等效黏滞阻尼系数、耗能能力等均优于上部为工字形钢柱的节点;保持下部结构不变,上部选用箱形钢柱,有利于提高节点的抗震性能。

RC框架-轻钢增层混合结构的新型外箍式箱型柱节点抗震性能研究

文中提出一种用于RC框架-轻钢增层混合结构的新型外箍式节点,旨在增强对上部结构柱脚的约束,并方便施工。对外箍式箱型柱节点和传统露出式刚接节点分别进行了在低周反复荷载作用下的1/2缩尺试验研究和有限元分析,结果表明:新型外箍式箱型柱节点将塑性铰外移至柱脚底板边缘处,有效保护了节点核心区,提高了极限承载力和刚度;滞回曲线更为饱满,减缓了强度和刚度退化,大幅提升了耗能能力。文中提出的新型外箍式箱型柱节点可以有效保证传力路径的连续性,其各项抗震性能指标明显优于传统露出式刚接节点。

基于SAP2000的钢梁-钢筋混凝土柱混合框架的性能分析

为研究钢梁-钢筋混凝土混合框架的抗震性能,对不同跨度的钢筋混凝土框架(RC)和钢梁-钢筋混凝土混合框架(RCS)建立了三组模型,采用大型通用有限元分析软件Sap2000,对三组模型进行了模态分析、pushover分析。结果表明,采用RCS框架,在梁高减小40%的前提下,框架的基底剪力峰值均有所增加,最多可增加34%,RCS框架的塑性铰会先出现在底层柱端,RCS结构在性能点处的层间位移略大于RC框架,但远小于规范限值。在大跨度结构中,RCS框架的适用性较RC框架结构更为广泛,能够满足工程中对结构体系更高、更大跨的需求。

新型外包加强型混合节点非线性数值模拟及参数分析

采用Abaqus有限元软件建立新型外包加强型混合节点模型,在验证模型正确性的基础上对其进行拟静力作用下的非线性分析,深入研究各个加载阶段的受力性能及破坏机制,并进行了相关参数对节点抗震性能的影响分析。结果表明,新型节点的最终破坏形态为梁端塑性铰破坏,外包混凝土及扩大包脚的嵌固作用使塑性铰远离节点核心区域,可以有效保护节点核心区和传力路径的连续性;滞回曲线较为饱满,具有较好的耗能能力和塑性变形能力;适当增大扩大包脚立面高度和水平长度,可以提高节点的初始刚度与承载力等性能,并根据相关参数研究给出了合理的设计建议范围,以便为工程设计提供参考。

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。

用于RC框架-轻钢增层混合结构的新型外箍式节点抗震性能试验研究

RC框架-轻钢增层混合结构是一种上轻下重、刚度突变明显的复杂结构,为了保证结构整体协同工作,本文提出了一种能够有效减缓刚度突变和增强对上部结构约束的新型外箍式连接节点。通过对新型外箍式节点与传统植筋节点的1∶2缩尺模型拟静力试验研究,得到了试件破坏模式和荷载-位移滞回曲线,对比分析了其滞回特性、梁端塑性铰、骨架曲线、强度退化、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明:新型外箍式节点可以使梁端塑性铰远离梁根部,有效保护了节点核心区;新型节点通过外箍钢板的构造措施提高了试件的初始刚度、承载力和耗能能力,减缓了刚度与强度退化速度,表明新型节点的抗震性能大幅度优于传统植筋节点,研究成果可为RC框架-轻钢增层混合结构的节点设计提供一定参考。

新型外包加强型节点抗震性能试验研究

为了减小钢筋混凝土(RC)框架-轻钢增层混合结构的鞭梢效应,本文提出了一种用于该类结构的新型外包加强型节点,旨在加强对上部结构的约束,减小上下部结构的刚度突变。为了深入研究其抗震性能,与另一种外包锚固式节点进行了低周往复荷载作用下的对比性试验研究。结果表明:两种节点均表现为梁端塑性铰破坏,并能有效控制裂缝开展;新型外包加强型节点滞回曲线饱满,捏拢速度较慢,并能将塑性铰外移,有效保护了节点核心区,其刚度退化、等效黏滞阻尼系数、耗能能力等各项指标都较外包锚固式节点有不同程度的提升,提高了节点的承载力和刚度,具有更好的抗震性能。本文的研究可以为轻钢增层混合结构的推广应用提供科学依据和技术支持。

新型外箍式工字柱节点的抗震性能研究

提出了一种用于RC框架-钢结构加层混合结构的新型外箍式节点,旨在减小新老结构之间的刚度突变,方便施工。采用ABAQUS有限元软件,首先进行模型的正确性验证,然后对上柱为工字型1/2缩尺新型外箍式节点试件进行了循环荷载作用下的抗震性能分析。结果表明:该新型节点的刚度退化较为平稳,滞回曲线展现出较好的承载能力、塑性变形与耗能能力;传力路径简捷可靠,塑性铰位于外箍钢板边缘处,"紧固结构"有效保护了节点核心区,有利于提高节点承载力和整体协作抗震能力。根据相关参数的研究结果提出了合理的设计建议,本项目的研究可以为轻钢增层混合结构的推广应用提供参考。