【摘 要】
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钢结构具有自重轻、强度大、易于拼装、绿色环保等优势,在装配式建筑领域中具有巨大的发展前景。将耗能减震装置引入预制装配式钢结构,可有效降低主体结构损伤,提升结构抗震性能。本文提出了一种可预制装配的新型耗能减震梁柱节点——梁端防屈曲钢板耗能铰节点,由钢柱,悬臂梁,钢梁,机械铰以及一对防屈曲耗能板组成。机械铰用于承担剪力,一对防屈曲耗能板用于承担弯矩。节点受力机制明确,参数可设计性强。由于外包约束构件的
【基金项目】
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主被动自适应耗能减振抗风抗震结构体系,国家重点研发计划资助项目课题,课题编号:2018YFC0705603; 预制装配耗能减振结构体系与抗震性能设计方法,国家重点研发计划资助项目课题,课题编号:2016YFC0701102; 城市工程结构抗灾韧性与智能防灾减灾,国家自然科学基金创新群体项目,项目编号:51921006;
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钢结构具有自重轻、强度大、易于拼装、绿色环保等优势,在装配式建筑领域中具有巨大的发展前景。将耗能减震装置引入预制装配式钢结构,可有效降低主体结构损伤,提升结构抗震性能。本文提出了一种可预制装配的新型耗能减震梁柱节点——梁端防屈曲钢板耗能铰节点,由钢柱,悬臂梁,钢梁,机械铰以及一对防屈曲耗能板组成。机械铰用于承担剪力,一对防屈曲耗能板用于承担弯矩。节点受力机制明确,参数可设计性强。由于外包约束构件的存在,耗能板受压时不会发生大幅值屈曲,使得节点在受弯时具有稳定的承载和耗能能力。通过对节点强度的合理设计,可以有效实现结构“弱梁强柱”的理想失效模式。本文研究梁端防屈曲钢板耗能铰节点及其钢框架结构的抗震性能,采用理论分析和试验研究相结合的方法,主要研究内容如下:(1)基于防屈曲钢板耗能铰节点的受力特点,提出了节点的四条设计原则,推导了节点力学参数计算公式,并给出了节点的详细设计流程。基于ABAQUS分析软件建立了防屈曲钢板耗能铰节点的精细化有限元模型,对影响防屈曲钢板耗能铰节点整体稳定性的关键参数,如约束构件螺栓间距比,约束面板厚度比等进行了大量的参数分析,给出了合理的设计建议。在此基础上,研究了防屈曲钢板耗能铰节点的设计参数对节点抗弯屈服承载力的影响规律,并验证了理论计算公式的准确性。为方便进行结构分析,提出了防屈曲钢板耗能铰节点的简化分析模型——“等效转动弹簧模型”,并基于单调荷载加载曲线验证了该模型计算准确性。(2)设计了三组不同形式的足尺钢板耗能铰节点试件,包括:槽型钢板耗能铰节点,防屈曲槽型钢板耗能铰节点,防屈曲一字型钢板耗能铰节点。分别对这三种节点进行了低周往复加载试验和低周疲劳试验;首先,根据试验中测量的试件受力和变形特征,得到了试件的骨架曲线,滞回环包围面积曲线,能量耗散系数曲线和等效阻尼比曲线,分析了试件的承载力、延性和耗能特性;其次,根据试验过程中观察到的耗能钢板的屈曲和裂缝发展等试验现象,分析了试件的受力机理和最终的破坏模式;最后,根据美国钢结构抗震设计规范和中国抗震设计规范,验证和评估了三种节点构造形式的有效性。(3)基于日本E-Defense 18层钢框架结构振动台试验结果和Open Sees分析平台,建立了18层钢框架结构的弹塑性分析模型,研究了设置梁端防屈曲钢板耗能铰节点对18层钢框架结构地震响应的影响。首先,通过理论分析研究了防屈曲钢板耗能铰节点等效刚度对钢框架结构水平位移的影响;其次,基于我国《建筑抗震设计规范》“三水准”设防目标和“两阶段”设计方法,提出了钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点结构基于规范的抗震设计方法。在此基础上,对于一个6层和12层结构分别采用普通钢框架结构和钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点结构进行设计,研究了在大震和超大震作用下防屈曲钢板耗能铰节点的设计参数与结构地震响应的变化规律,并给出节点设计参数的建议值。针对12层钢框架结构-防屈曲钢板耗能铰节点在超大震作用下结构地震响应超限的问题,基于单运行多模态Pushover分析方法得到了结构失效路径和塑性铰失效概率,采用结构失效模式优化的方法对结构的抗震性能进行改善,并验证了该方法的有效性。(4)提出了钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点结构和钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点-防屈曲支撑双重抗侧力体系的基于性能的塑性设计方法,以此实现结构“弱梁强柱”的理想失效模式。对于前者结构,塑性设计方法首先利用修正的能量平衡方程得到结构的设计基底剪力,然后基于结构的预期失效模式和强震下的结构侧向力分布模式,得到耗能铰节点的抗弯强度,最后对框架梁、柱的截面进行塑性设计。对于后者结构,该方法将总结构体系离散成两个独立的分结构体系,通过基底剪力比和屈服位移比两个设计参数实现分体系的合理地震侧力分配和屈服顺序,让结构中的耗能构件可随地震动增大分批进入塑性状态,使结构存在耗能裕度来承受不断增大的地震动强度。采用塑性设计方法分别对一个12层钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点结构和一个30层钢框架-防屈曲钢板耗能铰节点-防屈曲支撑双重抗侧力体系进行设计,通过对大震作用下结构的地震响应分析,验证了所提设计方法的有效性。
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