采用螺栓连接的装配式RCS框架的抗震性能研究

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钢筋混凝土柱-钢梁(Reinforced concrete column and steel beam,RCS)混合结构具有“低成本,高效率”的特点,是一种能充分发挥钢材和混凝土材料在各自结构和经济上优势的新型装配式结构体系。通过合理的设计,可以使得RCS结构的节点连接处表现出类似于钢结构梁柱半刚性连接的半刚性特性,从而使得该类型节点具有较好的延性、较强的耗能能力、易修复等优点,在地震区具有良好的工程应用前景。本文在结合RCS结构、装配式结构、半刚性节点三者优点的基础上,提出一种采用螺栓连接的装配式RCS节点,该节点由4个部分组成:钢筋混凝土柱、型钢钢梁、预埋构件、螺栓与拼接板。本文首先对所提出的节点进行低周反复拟静力试验,对其抗震性能进行研究。在试验的基础上,利用有限元软件ABAQUS对采用螺栓连接的装配式RCS节点进行模拟和参数分析,分别研究连接处摩擦系数、螺栓中预紧力、预埋端外伸长度等因素对该类型节点的受力性能的影响;在参数分析的基础上提出适用于该装配式RCS节点连接处的弯矩-转角计算方法,并在开源软件OpenSEES中予以验证。结合工程实际情况,设计了3榀采用螺栓连接的装配式RCS框架,通过OpenSEES软件对其进行静力弹塑性分析,并与相同几何尺寸的3榀刚性连接RCS结构框架以及3榀带有防屈曲支撑的装配式RCS框架的推覆结果进行对比分析。以6层框架为例,对采用螺栓连接的装配式RCS框架进行动力时程分析,通过修改节点连接处的初始刚度,以研究采用螺栓连接的装配式RCS节点连接处的半刚性行为对结构整体抗震性能的影响。本文研究的主要结论有:(1)采用螺栓连接的装配式RCS节点的抗震性能优于普通的RCS结构试件;采用螺栓连接的装配式RCS框架的抗侧刚度与屈服强度相较于普通RCS框架有所下降,但结构的延性有较大的提升。(2)通过ABAQUS的数值模拟与试验对比发现,有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的准确性与可行性。通过对采用螺栓连接的装配式RCS节点进行参数分析得出以下结论:装配式RCS节点连接处的摩擦系数的改变对节点的荷载-位移曲线趋势无明显影响,摩擦系数每增大0.1,节点连接处的初始滑移荷载与滑移结束荷载相应的约增大20%;随着连接处螺栓中预紧力的增大,装配式RCS节点连接处的初始滑移荷载也随之增大,且与滑移结束荷载逐渐接近,滑移段逐渐趋于平缓;当装配式RCS节点预埋构件的外伸距离过长时,预埋件的外伸段相较于连接处拼接板会提前屈服,因此在实际的设计过程中应多加留意,预埋件的外伸段不宜太长。(3)在装配式RCS节点连接处参数分析的基础上提出的适用于该类节点的弯矩-转角计算方法,采用该计算方法在开源软件OpenSEES中的模拟结果与试验值总体趋势符合较好,表明该计算方法能够较好的反映该类节点连接处的特性。(4)采用螺栓连接的装配式RCS节点连接处的半刚性行为对装配式RCS整体结构受力性能有显著的影响,降低节点连接处的初始刚度对增大结构周期作用明显,结构的自振周期随节点初始转动刚度的减小而增大。在实际工程应用中,通过减小节点连接处的初始刚度,可以有效的增大结构的周期。(5)当采用螺栓连接的装配式RCS节点连接处的初始刚度变化时,结构的薄弱层会发生变化;节点连接处的初始刚度与结构的最大层间位移角并不成线性关系,需通过屈服机制进行精细研究;在实际工程中,当装配式RCS结构的最大层间位移角不满足规范的抗震要求时,不能仅靠加强节点连接处的初始刚度来调整装配式RCS结构的抗震性能;在装配式RCS结构加入支撑可在保持装配式RCS结构具有较好延性的同时提高结构的抗侧刚度。
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