节点张开后刚度对变摩擦耗能...凝土框架抗震性能的影响分析_黄林杰.pdf
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1、 .,.,工业建筑 年第 卷第 期节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析黄林杰 曾 滨 周 臻 张文清 桑晨旭 张静茹(南京林业大学土木工程学院,南京;中冶建筑研究总院有限公司,北京;东南大学,混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京)摘 要:自复位预应力混凝土()框架在梁柱节点张开后的刚度显著降低,导致罕遇地震下结构的层间侧移角较大。利用具有第三刚度的变摩擦()耗能 节点构造可有效提高结构罕遇地震下刚度,降低层间侧移。选择我国 度设防地区的一 框架为分析算例,利用 分析软件建立其有限元模型。以 条地震波为输入,研究节点张开后刚度(第二刚度和第三刚度)对 框架
2、抗震性能的影响。结果表明:增大节点的第二刚度可以降低罕遇地震下结构的层间侧移角,但不会改变层间侧移的分布模式;增加节点的第三刚度不仅可以显著降低结构的层间侧移角和柱内力,且可以降低结构的高阶模态效应,从而降低上部楼层的层间变形,同时保证较好的复位效果。关键词:节点张开后刚度;自复位预应力混凝土;变摩擦;高阶模态 :.(,;,;,):(),(),:;国家自然科学重点基金();国家自然科学基金项目();江苏省高校自然科学基金面上项目();江苏省“双创博士”项目();大学生实践创新训练计划项目(、)。第一作者:黄林杰,男,年出生,博士,讲师。电子信箱:收稿日期:随着韧性城市建设在全球范围内的兴起,结
3、构可恢复性成为了国际地震工程界的关注热点。相应地,为使结构具备在地震作用下可以快速恢复预定使用功能的能力,国内外许多学者提出了结构抗震设计的新概念,即可恢复功能防震结构。因此,研究可恢复功能的抗震韧性结构是实现韧性城市的必然趋势。在可恢复功能设计中,控制结构残余变形和结构构件的损伤是关键所在。美国国家标准研究院与节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析 黄林杰,等 日本联合开展的预制结构抗震体系采用的干式混合连接的框架体系中,预应力技术能够有效控制结构残余变形,节点耗能系统耗散能量的方法可显著降低结构构件的损伤。这种框架由于具有较好的震后复位能力,也被称为自复位预应力
4、混凝土()框架,是现阶段重要的可恢复功能结构形式。随着高耗能技术的不断改进,框架的抗震性能得到了显著提高,但随着梁柱节点张开间隙激发耗能器启动后,结构的刚度主要由预应力筋控制而大幅降低。有研究表明较大的刚度削弱会导致 框架产生较明显的高阶模态效应,形成薄弱层,局部(上部)楼层位移角较大,极大加剧了非结构构件的损伤,降低震后结构的功能可恢复性。为解决罕遇地震下结构刚度较低的问题,文献提出了一种基于平面坡面摩擦构造的变摩擦()耗能 节点构造。该节点构造利用耗能器的坡面摩擦构造提供结构罕遇地震下的大刚度与高耗能能力,且通过试验证明了节点的三刚度、变摩擦旗帜形滞回特征。为研究 框架的抗震性能,以一 层
5、 框架为原型,建立其有限元模型。以节点张开后刚度(第二刚度和第三刚度)为变量,进行设防烈度和罕遇地震水平的抗震性能参数化分析,研究最大层间侧移角及其沿楼层的变形模式,提出结构高阶模态效应的控制方法。变摩擦自复位混凝土框架.节点构造 节点构造如图 所示,其中,耗能器由内摩擦钢板、带坡面的中摩擦钢板、带坡面的外摩擦钢板、新型非石棉有机物()摩擦片、垫板、碟形垫片和高强螺栓组成(图)。摩擦片嵌在内摩擦钢板上预留的长槽内,并通过摩擦型高强螺栓与摩擦钢板挤压在一起。摩擦材料与中摩擦钢板构成的非金属摩擦面可有效避免现有金属摩擦面在正常使用阶段发生的电化学腐蚀,从而提高结构的耐久性;内、外摩擦钢板与垫板通过
6、高强螺栓与梁可靠连接,中摩擦钢板通过端部预埋板与柱固定。在地震作用下,梁柱发生相对变形,带动中摩擦钢板与内、外摩擦钢板之间的相对滑动。节点中引入的暗牛腿可提供足够的竖向抗剪能力,并在施工阶段为梁提供临时搁置,提高结构的装配效率。耗能器的第一次启动为平面滑动段(滑动位移不超过)(图),此时高强螺栓的预紧力恒定,因此摩擦力不变。当中摩擦钢板与外摩擦钢板滑动至坡面段(滑动位移超过)时,摩擦耗能器第二次启动。由于坡面的存在,中摩擦钢板与外摩擦钢板的距离会不断增大并压缩碟形垫片,使摩擦面法向正压力不断增加,进而增大摩擦力,使摩擦耗能器具有了二次刚度(图),形成节点的第三刚度。设计过程中,可通过调整平面段
7、长度 和坡面段角度,有效控制耗能器的二次启动位移和第三刚度,从而提升结构在罕遇地震下的可恢复性能。耗能器两阶段的摩擦力如式()所示:,()(),()|()式中:,和,分别为平面滑动段和坡面滑动段的摩擦力;为施加在单个 上的螺栓预紧力;和 分别为中摩擦钢板外摩擦钢板和中摩擦钢板内摩擦钢板的摩擦系数;为碟形垫片的刚度。节点构造;截面;变摩擦机理;滞回曲线。为消压荷载;为消压位移;为第一刚度;为第二刚度;为第三刚度。图 节点构造 .多层 框架算例为研究节点张开后刚度对 框架动力响应的影响规律,选取文献中的一原型结构(图)为分析算例。在该框架的两个方向各布置两榀 层 跨的 框架作为抗侧框架,忽略其他框
8、架的抗侧贡献,认为在地震作用下结构的抗震能力主要由 框架提供。结构的底层和其他层层高分别为.和.。根据耗能器的两阶段工作机理,文献提出了 工业建筑 年第 卷第 期框架基于性能的抗震设计方法,对结构的设防地震和罕遇地震水平分别进行设计,即:结构遭遇本地区设防烈度相当的地震,最大层间侧移角不超过.,且梁柱均处于弹性变形;结构遭遇罕遇地震相当的地震,最大层间侧移角不超过.,允许梁柱发生轻微损伤,但需保证预应力筋不发生屈服以实现结构的震后可恢复性能。梁柱中的混凝土强度等级为,受力钢筋等级为,预应力筋的屈服强度为 。结构的重力荷载代表值 ,对应的层剪力沿楼层分布模式如图 所示,梁柱的设计信息如表 所示(
9、为便于下文研究,具有表 设计信息的结构记作)。顶层与其他楼层的恒荷载标准值分别为.,.,活荷载的标准值均为.。由图 可知,与现有 框架不同,框架在节点张开后具有 和 两级刚度。由文献可知:主要由预应力筋的数目和预应力筋与梁形心的距离决 定,所以可通过两种方式改变:)分别增加两个框架中预应力筋的刚度至 的 倍,记作;)保持预应力筋的总面积不变,将预应力筋对称布置在 距 离 梁 中 心 位 置 的 梁 高 处,记 作。分别将 降低和增加(分别为 的.倍和.倍),分别记作.,.以分析 对 框架抗震性能的影响。平面布置;抗弯框架。图 原型结构 表 设计信息 楼层梁尺寸()柱尺寸(),().和 分别为梁
10、、柱配筋率;和,分别为预应力筋的面积和初始张拉值。.多层 框架有限元分析模型采用 有限元软件建立 框架的有限元模型,节点的建模方法如图 所示。梁柱节点;简化单元;变摩擦行为的模拟。图 基于 有限元分析平台的 节点数值建模方法 梁和柱均采用基于纤维截面的非线性梁柱单元模拟,以获得单元的分布塑性。混凝土纤维和钢筋纤维分别采用可考虑混凝土受拉的 ()本构模型和可考虑钢筋强化特性的 ()本构模型。预应力筋单元采用桁架单元模拟,且赋予桁架单元具有初始预应力的 本构材料。顶部梁柱接触面及底部柱暗牛腿的接触面分别由一对刚臂模拟,且在上下两个转动中心分别用一嵌套了弹性无受拉()材料的零长度接触单元模拟节点处只
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