可恢复功能装配式混凝土节点及其框架结构抗震性能研究

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装配式混凝土节点与连接是装配式结构的薄弱环节,装配式混凝土节点及框架体系的抗震性能需优化提高。为此,本文提出一种可恢复功能装配式混凝土节点及其框架结构体系。可恢复功能装配式节点主要由带削弱型约束钢板阻尼器的可更换式耗能铰、钢套筒约束的节点核心区、预制混凝土梁柱等构成。可恢复功能装配式节点布置在装配式框架中,形成可恢复功能装配式框架结构体系,满足“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”等抗震要求,且该节点易于装配、塑性可控、震后可修复、可恢复功能。本文对可恢复功能装配式混凝土节点及其框架结构体系进行了以下研究:(1)可更换削弱型约束钢板阻尼器的力学特性是可恢复功能装配式节点传力与塑性耗能的关键,为此进行4个可更换削弱型约束钢板阻尼器在低周往复轴向荷载下的试验研究及其作用机理分析。考察可更换削弱型约束钢板阻尼器的破坏形态、P-△滞回曲线、刚度退化、强度退化与耗能能力等特性;建立其有限元模型开展作用机理分析。结果表明:削弱钢板在削弱截面部位开裂或断裂,实现了阻尼器的塑性耗能与塑性可控;荷载P-位移△滞回曲线饱满,等效粘滞阻尼系数约为0.4,具有良好的耗能能力;各试件的平均延性系数均大于7,具有良好的延性;阻尼器的受力过程均可分为弹性阶段、塑性强化阶段和断裂破坏阶段。(2)开展可更换削弱型约束钢板阻尼器参数分析,提出其滞回恢复力模型公式。建立不同钢板削弱形式的阻尼器有限元模型,以削弱钢板的开孔削弱尺寸、宽厚比、削弱钢板与约束套筒的间隙等为变量进行参数分析,给出其合理参数范围;建立削弱钢板的简化力学模型,通过数值回归提出阻尼器滞回恢复力模型公式。结果表明:阻尼器的合理参数范围为削弱钢板的b/B在0.2~0.5,a/L在0.25~0.55,宽厚比不小于12.50,削弱钢板与约束套筒的间隙不超过2mm;可更换削弱型约束钢板阻尼器的滞回恢复力模型公式能较准确反映阻尼器的力学性能。(3)开展可恢复功能装配式节点在低周往复荷载作用下的滞回性能试验研究。首先进行第一次可恢复功能装配式节点滞回性能试验研究;然后在上次试验的基础上仅更换耗能铰中破坏的削弱型约束钢板阻尼器,进行第二次试验;最后进行现浇钢筋混凝土节点滞回性能试验研究。通过3次试验,考察各个节点的破坏模态、裂缝开展、滞回曲线、承载能力、刚度退化、强度退化、耗能能力和延性等抗震性能;探讨可更换式耗能铰的弯矩承载力、转角延性和耗能能力等工作性能;对比研究装配式节点的2次试验,探讨其可恢复功能;并将2次可恢复功能装配式装配式节点试验与现浇钢筋混凝土节点试验进行对比研究。结果表明:可恢复功能装配式混凝土节点具有合理的失效模式且失效模式可控,70%左右的能量耗散集中在可更换式耗能铰上,具有良好的承载能力、耗能能力、延性等抗震性能;第二次可恢复功能装配式节点试验(仅更耗能铰中破坏的阻尼器),除了前期刚度有所下降,后期各项抗震性能基本一致,表明装配式节点在震损后,通过简单地更换破坏的阻尼器可使节点恢复原有的功能,验证了本文提出的可恢复功能装配式节点的可行性;可恢复功能装配式节点的抗震性能优于现浇钢筋混凝土节点。(4)开展可恢复功能装配式节点数值分析,探讨可恢复功能装配式节点作用机理;开展可恢复功能装配式框架结构数值分析,并建立现浇混凝土框架结构及节点加强型现浇混凝土框架结构的有限元模型,探讨三种结构体系的抗震性能及失效模式。结果表明:可恢复功能装配式混凝土节点试验的滞回曲线和骨架曲线与数值计算结果基本相近;装配式节点的耗能、塑性发展和破坏集中在耗能铰中的削弱型约束钢板阻尼器;可恢复功能装配式框架结构的耗能、塑性发展和破坏集中在耗能铰中的削弱型约束钢板阻尼器,实现塑性发展的可控,结构体系具备更良好的承载能力,合理的失效机制与良好的结构延性,实现“强柱弱梁,强节点弱构件”抗震设计要求。
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