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2020年  第35卷  第12期

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科研
带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能有限元分析
贾子涵, 王先铁, 谢川东, 张家平, 郭艺伟
2020, 35(12): 1-7. doi: 10.13206/j.gjgS20091601
摘要:
自复位结构是一种新型可恢复功能结构,它能够有效控制结构震后残余变形,震后不需或经少量维修即可恢复正常使用。近年来,自复位结构成为国内外地震工程界研究的热点。目前的自复位结构主要通过两种方式耗能:金属的塑性变形或设置摩擦阻尼器。但以上两种耗能方式通常存在较大的复位抗力,从而对结构的复位构件提出更高的要求,同时对节点的自复位性能产生不利影响,如何减小复位抗力是此类结构目前亟需解决的重要问题。
基于上述问题,提出了一种新型带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点,通过在耗能板上开设长槽,可有效减小节点的复位抗力。该节点主要由方钢管混凝土柱、H型钢梁、悬挑梁段、开槽耗能板、盖板、抗剪连接板和钢绞线等构成。为探究该节点的破坏形态、抗震性能、自复位性能及耗能能力,采用有限元软件ABAQUS对带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点进行模拟分析,得到弯矩-转角滞回曲线、承载力及特征弯矩、单周滞回耗能及残余变形等。共设计5个节点模型(节点SCJ-1~SCJ-5),对比分析耗能板开槽数量、耗能段宽度、耗能板厚度及钢绞线初始预应力这些参数对节点自复位性能和抗震性能的影响。
结果表明:在梁端往复荷载作用下,节点的滞回曲线呈典型的“双旗帜”形,该节点具有良好的承载能力、自复位能力和耗能能力;当加载至4.00%层间位移角时,梁柱主体构件基本处于弹性状态,耗能板发生明显的塑性变形,说明该节点可有效地将损伤控制于局部,从而降低主体构件的塑性损伤;耗能板的开槽数量越多,节点的耗能能力越差,自复位性能越好,而对节点的承载力及特征弯矩没有显著影响;随着耗能段宽度和耗能板厚度的增大,节点的耗能能力增强,自复位能力降低,节点承载力提高。增大钢绞线的初始预应力,节点的初始刚度、承载力和脱开弯矩提高,自复位能力增强,而对节点的耗能能力影响较小。
高强钢组合偏心支撑框架抗震性能远程协同试验研究
高乐, 李腾飞, 郭江然, 苏明周, 隋龙天, 焦培培
2020, 35(12): 8-15. doi: 10.13206/j.gjgS20120501
摘要:
高强钢组合偏心支撑框架不仅在承载力上有显著优势,同时还有较强的抗震功能。在罕遇地震的作用下,低屈服点钢材的消能梁段首先屈服耗散地震能量,而采用高强钢材的框架梁柱仍能保持弹性,实现结构的震后功能快速恢复。远程协同试验是在子结构拟动力方法的基础上,结合运用先进的网络技术研发而成的新型试验方法。即把体积较大的结构划分成多个子结构,并在多个实验室内开展试验以及仿真工作,通过网络信息技术将所有子结构结合起来完成协同任务,从而完成综合抗震测试。为进一步研究高强钢组合偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个局部单层的三层多跨高强钢组合偏心支撑框架为原型,进行了缩尺比例为1/2的结构模型的远程协同试验。
建立了一套远程协同试验系统,该系统主要涵盖以下三部分:其一为OpenSees软件,其主要作用是创建对应的模型并进行研究;其二为OpenFresco平台,其主要功能是保障数据的顺利通信;其三为试验加载体系。其中OpenSees和OpenFresco在通信过程中主要应用TCP/IP协议,OpenFresco和试验加载体系主要基于MTS CSI试验接口软件进行连接。远程协同试验模型包括三层多跨K形偏心支撑组合钢框架和单层Y形偏心支撑钢框架两部分。试验过程中,挑选出左侧跨带有K形偏心支撑的三层钢框架,以此为试验子结构1,之后在当地实验室展开试验;挑选出右侧跨带有Y形偏心支撑的单层钢框架,以此为试验子结构2,之后在距离本地50 km的实验室内展开试验,同时以中部四跨为数值子结构,于OpenSees软件内进行仿真。该模型高1 800 mm,所对应的方向跨度为2 825 mm,消能梁段尺寸为350 mm。所对应的柱截面为H125×125×8×10,梁截面为H140×100×8×10,K、Y形偏心支撑所对应的消能梁段截面分别为H140×100×6×10、H180×100×6×10,支撑截面为H100×100×6××10。在本框架中,梁、柱均使用Q460C钢,消能梁段与支撑主要使用Q345B钢。通过远程协同试验研究该新型钢结构体系的变形特征、位移响应、滞回性能及应变发展情况等。
通过试验研究得到以下结论:1)远程协同试验模型于4种地震波的影响下所产生的位移响应都为三角形分布。在地震作用下,所产生的层间侧移角上限为1/610与1/201,满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的相关规定。8度罕遇地震作用下,三层仍处于弹性阶段,二层比一层出现了更加明显的滞回环。2)由试验子结构1的测点应变分析可知,各层变形主要集中在消能梁段的腹板处。在8度罕遇地震作用下,应变曲线的斜率小幅度下降,这表明模型结构的刚度出现了下降。由试验子结构2的测点应变分析可知,消能梁段腹板处的应变值和连接节点处框架梁下翼缘的应变值最大,由于消能梁段采用了普通钢材,在地震作用下先进入塑性耗散能量,能够实现多道抗震设防的目的。
低屈服点钢材剪切型阻尼器试验研究
尧祖成, 王伟
2020, 35(12): 16-21. doi: 10.13206/j.gjgS20091801
摘要:
提出一种采用钢管加劲形式的新型剪切型金属阻尼器,该阻尼器主要由中心剪切板、面外加劲钢管、两侧翼缘加劲板与连接头四部分组成,主要通过中心剪切板剪切变形的发展耗散地震输入的能量。低屈服点钢材LYP225钢屈服强度较低,强化水平适中且延展性能优异,适用于制作金属阻尼器,因而选用LYP225钢制作剪切阻尼器的中心剪切板。
为评估采用低屈服点钢材LYP225的剪切型阻尼器的弹塑性滞回响应、超低周疲劳破坏特征以及耗能减震能力,设计并完成了阻尼器试件的拟静力试验。试验针对采用普通翼缘与“狗骨”式削弱翼缘两种加劲构造方式的三个足尺试件,采取两种滞回加载制度,考察了剪切型阻尼器在循环加载下的基本力学特性与超低周疲劳性能,对比分析了不同翼缘构造对试件失效模式的影响。
试验结果表明,采用LYP225低屈服点钢制作的剪切型金属阻尼器延展性能较好,其极限剪切角可达4.7%;在循环加载下没有发生构件失稳现象,滞回曲线饱满;耗能能力较强,其等效阻尼比可稳定维持在0.5左右;同时超低周疲劳性能较好,在设计位移之下加载30圈,其承载力水平较为稳定,裂纹发展较为轻微。剪切型阻尼器在利用芯板充分发展剪切变形耗散能量的同时,两端翼缘板在焊脚处的较早开裂在一定程度上限制了阻尼器的变形能力,而采用“狗骨式”削弱翼缘加劲形式可以有效地延缓其裂纹萌生。剪切阻尼器在试验中的实测最大超强系数达1.63,该超强现象能提高阻尼器的滞回耗能能力,但在结构体系的设计中需要着重考虑,以避免主体结构构件发生次生破坏。
波折钢板剪力墙内嵌墙板与框架的相互作用分析
窦超, 朱仰泽, 解程, 谢志栋
2020, 35(12): 22-28. doi: 10.13206/j.gjgS20082602
摘要:
随着高层建筑的不断发展,水平荷载愈发成为结构设计中不可忽略的因素,钢板剪力墙因其优越的抗侧力性能,在实际工程中得到广泛的应用,研究人员对其受力性能开展了深入的研究。普通平钢板剪力墙具有较高的极限承载力,但在往复荷载作用下滞回曲线出现“捏拢”,尤其是薄钢板会发出巨大噪声,影响结构舒适性。波折钢板由于波折的存在,具有更高的面外刚度,呈现出面内剪切屈曲的受力特征,延性较好。与普通平钢板剪力墙相比,其抗侧性能及墙板抗侧机制仍有待研究,且在水平荷载和竖向荷载共同作用下的受力性能研究也比较缺乏。
通过有限元方法分析了内嵌波折钢板的抗侧力机制,提出相对应的框架柱门槛抗弯刚度要求,研究了竖向荷载对墙板性能的影响,给出工程实用设计建议。首先,利用有限元软件ABAQUS模拟循环加载试验,将试验与有限元拟合结果进行对比,验证利用ABAQUS软件分析波折钢板墙的有效性与准确性;通过对两个典型算例的荷载-位移曲线分析,指出波折钢板墙的两种不同的抗侧力机制,分析这两个算例的框架弯矩分布,表明波折钢板通过“四边受剪”或“拉力带”两种机制抵抗侧向力,且抗侧力机制由内嵌钢板的几何参数决定。如果波折板主要通过“拉力带”抵抗侧向荷载,由于波折的存在,“拉力带”不能充分发展,就会出现残余承载力较低的情况;其次,以非加劲平钢板剪力墙边缘柱的截面抗弯刚度要求为基础,分析框架在弹性和弹塑性两种情况下,边缘柱截面抗弯刚度对墙板性能的影响,指出正则化高厚比越大,柱截面抗弯刚度对墙板性能的影响越大,当正则化高厚比λn ≤ 0.45时可以认为波折钢板主要通过“四边受剪”机制抵抗侧向力,这时对框架柱的抗弯刚度要求较小,可以采用截面抗弯刚度EI ≥ 0.5EI*的框架柱,在实际工程中推荐使用λn ≤ 0.45的波折钢板以保证足够的残余承载力;最后,针对正则化高厚比小于0.45的波折钢板墙,研究竖向荷载对墙板性能的影响,改变作用在柱子上的轴向压力,观察墙板承载力的变化情况,指出竖向荷载对墙板极限承载力影响很小,但由于边缘柱在残余状态下产生较大的竖向压缩,导致墙板剪力不能有效传递,进而引起柱子残余承载力下降,正则化高厚比越大的墙板,残余承载力下降越严重,实际工程中可以通过增大柱截面面积避免这种情况的出现。
连梁耦联作用对联肢钢板剪力墙稳定与变形影响的分析
吴星煌, 郝际平, 钟炜辉, 田炜烽
2020, 35(12): 29-35. doi: 10.13206/j.gjgS20111501
摘要:
联肢钢板剪力墙是在钢板剪力墙间引入连梁发展而来的新型抗侧力体系,连梁的引入改变了结构的抗倾覆机制,从而影响柱子的稳定与结构的变形。故将连梁截面作为变量,研究连梁与墙肢连接形成的耦联作用对联肢钢板剪力墙稳定与变形的影响。
取一实际工程的足尺6层联肢钢板剪力墙作为原型,通过改变连梁高度与腹板厚度,利用ABAQUS进行单调与往复加载模拟,分析结构的力学性能与变形能力。分析结果表明:连梁产生的耦联作用有减小外柱受压从而减缓结构失稳的作用,随着连梁截面高度的增加,结构抗剪承载力逐渐提升,但提升程度越来越小且承载力稳定性有所降低;侧移达1/50位移角前,结构处于正常使用阶段,1/30位移角后,结构承载力显著下降而面临倒塌;以延性为判别指标时耦联比有最优段,耦联比从0.6到1.2的过程中,结构延性基本表现出迅速上升→平缓上升→缓慢下降→迅速下降的现象,其中平缓上升段对应耦联比的最优段。
基于耦联比的联肢钢板剪力墙滞回性能分析
吴博睿, 郝际平, 田炜烽, 钟炜辉
2020, 35(12): 36-42. doi: 10.13206/j.gjgS20091501
摘要:
钢板剪力墙结构是一种以钢框架内嵌钢板为基本结构单元的抗侧力结构体系,利用连梁,将两片钢板剪力墙连接起来,形成联肢钢板剪力墙。连梁的引入,一是可使钢板墙的结构布置更灵活方便,有利于增加钢板墙结构的整体抗弯承载力和刚度,甚至组成抗侧效果更佳的钢核心筒结构体系;二是利用钢连梁进行耗能,增强结构的耗能能力。
本文对联肢钢板剪力墙的滞回性能展开了研究,通过ABAQUS有限元建模软件对已有联肢钢板剪力墙结构试验进行模拟,验证了模型的有效性。首先研究柱轴力与耦联比的关系,通过改变连梁高度及墙板厚度,得到10组不同耦联比的联肢非加劲薄钢板剪力墙结构模型,通过对这10组模型进行单调推覆分析,得到了耦联比随柱轴力之比的变化关系:框架边柱与内柱的轴力会随着耦联比的增大而接近;当耦联比小于0.6时,右侧钢板剪力墙内柱受拉,边柱受压;当耦联比大于0.6时,右侧钢板剪力墙内柱与边柱均受压。因为耦联比的增大是由于连梁对结构的耦联作用增强,而连梁可以传递轴力,耦联比越大即连梁耦联作用越强,其传递轴力能力就越强,所以可以分担边柱轴力,让柱3与柱4同时受压。耦联比较小时,倾覆弯矩主要由边柱轴力形成的力偶抵抗,耦联比增大,内柱轴力相应增加,起到抗倾覆作用,保护边柱。而理想状态下,边柱与内柱同时破坏。最后研究试件耦联比对联肢钢板剪力墙滞回性能的影响,通过改变连梁截面以及墙板厚度实现耦联比的变化,从而得到6个试件模型。通过拟静力分析来研究耦联比、连梁截面尺寸和墙板厚度对联肢钢板剪力墙结构承载力、延性、刚度退化、耗能能力及破坏模式等方面的影响。研究表明,当耦联比在0.4~0.6之间时,连梁与墙板可发生充分的剪切屈服,边柱的柱端塑性铰最后出现,诱发结构破坏。钢连梁能够很好地参与结构耗能,故将“钢板剪力墙-框架”抗侧力体系改进为“钢板剪力墙-钢连梁-框架”抗侧力体系。
单元式双钢板组合剪力墙抗侧性能影响因素分析
刘栋, 石永久, 余香林, 涂程亮
2020, 35(12): 43-49. doi: 10.13206/j.gjgS20120701
摘要:
单元式双钢板混凝土组合剪力墙是一种新型的双钢板混凝土组合剪力墙,主要构造是墙体上下的边缘梁与墙单元利用螺栓进行连接。墙体单元在工厂预制,整片墙体在施工现场全螺栓装配。因此该新型双钢板混凝土组合剪力墙施工方便快捷、便于组合拆装,可以实现建筑物生命周期结束后的全更换,既绿色环保又节省成本。在此基础上,对此新型双钢板混凝土组合剪力墙的抗侧力学性能进行了基本分析。
首先结合箱型双钢板组合剪力墙的抗剪性能试验研究,建立了ABAQUS有限元模型进行验证,论证了所建立的ABAQUS模型的可靠性。然后建立了23个单元式双钢板混凝土组合剪力墙的有限元模型,研究了墙体分割单元数量、混凝土抗压强度、钢材屈服强度、轴压比和钢板厚度对其抗侧承载力、抗侧刚度和延性等基本力学性能的影响。
1)墙体单元数量的变化范围为1~4,随着墙体单元数量的增多,墙体屈服荷载及峰值荷载均降低,墙体的总承载能力逐渐降低;墙体的极限位移逐渐增大,延性系数越来越大,变形能力有所提高。2)混凝土抗压强度的变化范围为30~80 MPa,随着混凝土强度的提高,墙体的抗侧刚度略有提高,极限位移基本呈现减小的趋势,墙体的延性系数逐步减小,衰减幅度较小。墙体的变形能力逐渐降低,但减幅并不大。3)钢板屈服强度的变化范围为235~500 MPa,随着钢板屈服强度的增大,墙体的屈服荷载和峰值荷载逐渐增加,承载能力有所增加;墙体的屈服位移及极限位移逐渐增加,墙体的延性系数逐渐增加,变形能力有所提高。4)轴压比的变化范围为0.1~0.6,每级增加0.1,在轴压比较小时,提高轴压比能够提高组合剪力墙的屈服荷载及峰值荷载。5)钢板厚度的变化范围为2~6 mm,随着钢板厚度的增大,墙体的屈服荷载和峰值荷载逐渐增加,承载能力有所增加,墙体的初始抗侧刚度和延性系数逐渐增加,变形能力有所提高。
通过分析可以得到:增大混凝土强度、钢板屈服强度、钢板厚度能够提高承载力,另外,提升钢板屈服强度和钢板厚度均会提高其延性;单元式双钢板组合剪力墙在水平荷载作用下的抗侧刚度由混凝土部分和钢板两部分共同贡献,增大钢板厚度能够提高其抗侧刚度;墙体单元数量越多,其初始刚度越小,承载力降低。建议在满足施工环境的条件下,两个相邻框架柱之间墙体的单元数量不宜超过3。
考虑相关稳定的非线性金属轴压柱承载力直接强度法
袁焕鑫, 杨飞, 杜新喜, 杨璐
2020, 35(12): 50-57. doi: 10.13206/j.gjgS20112702
摘要:
非线性金属结构材料主要包括不锈钢和铝合金两类,其应力-应变关系曲线没有明显的屈服点和屈服平台。材料的比例极限强度往往低于其名义屈服强度,随着构件截面应力水平增至超过材料比例极限强度后,材料的切线模量逐渐降低,但其应变硬化能力较为显著,直接影响截面组成板件的局部稳定和构件的整体稳定承载力。目前考虑局部-整体相关稳定的轴压柱承载力计算一般采用有效截面法,但该类方法针对复杂截面的计算过程较为繁琐,且未能充分考虑截面板件间的约束作用。
汇总国内外现有关于考虑局部-整体相关稳定的不锈钢和铝合金轴压柱的试验数据,包括不锈钢焊接工字形和箱形截面以及铝合金挤压成型工字形和箱形截面共4类,采用通用有限元软件ABAQUS创建精细数值模型,准确考虑不锈钢和铝合金材料的非线性特性、构件的局部和整体几何初始缺陷以及截面残余应力分布等,通过模拟试验过程得出轴压柱的承载力与失稳破坏形态,根据与试验结果的比较验证所建立有限元模型的准确性。基于验证可靠的有限元模型,对影响轴压柱局部-整体相关稳定性能的关键因素开展参数分析,建立了大量的数值分析算例,着重考察材料归一化屈服强度、应变硬化指数、局部和整体几何初始缺陷以及焊接残余应力对轴压柱稳定承载力的影响规律。
结合汇总的试验数据和有限元数值算例结果,对现行AISI S100-16《北美冷成型钢结构设计规范》中的直接强度法计算公式进行了评估,表明其计算公式不能准确预测非线性金属轴压柱的相关稳定承载力,而且公式计算结果偏于不安全。采用数值拟合方法,针对不同材料、不同截面形式轴压柱的相关稳定承载力分别提出直接强度法修正计算公式。根据现行中国标准GB 50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》中给出的可靠指标以及GB 50429-2007《铝合金结构设计规范》和CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》规定的抗力分项系数取值,且参照GB 50068-2018选定4种不同的荷载组合形式,在12种荷载工况组合下对建议的修正计算公式进行可靠度分析,计算得出的构件可靠指标均大于目标可靠指标3.2,表明所提出的直接强度法计算公式满足中国标准的可靠度要求,可以用于计算考虑相关稳定的非线性金属轴压柱承载力。
钢结构热点探析
本期问题:何时计算双向地震作用?
邹安宇
2020, 35(12): 58-58.
摘要:
总目次
《钢结构(中英文)》2020年总目次
2020, 35(12): 59-61.
摘要: