带可替换腹板连接型耗能梁段的恢复力模型研究_殷占忠.pdf
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1、书书书第 卷第期 年月地震工程学报 ,收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();甘肃省建设科技攻关项目();甘肃省优秀博士生项目()第一作者简介:殷占忠(),男,博士,教授,主要从事钢结构与组合结构研究。:。殷占忠,杨元普,冯大哲 带可替换腹板连接型耗能梁段的恢复力模型研究 地震工程学报,():,():带可替换腹板连接型耗能梁段的恢复力模型研究殷占忠,杨元普,冯大哲(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 ;兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 )摘要:带可替换耗能梁段的偏心支撑钢框架具有震后修复方便、经济等优点,但目前国内外学者对该类型的研究很少。为此,设计
2、组与偏心支撑钢框架采用螺栓连接的腹板连接型耗能梁段,并对 组试件进行数值模拟分析,讨论截面尺寸、耗能长度、加劲肋间距、加劲肋布置以及综合参数等变化参数对腹板连接型耗能梁段在低周往复荷载作用下的滞回性能、骨架曲线的影响,建立腹板连接型耗能梁段简化的恢复力模型。结果表明,影响腹板连接型耗能梁段耗能的主要参数是截面尺寸,建立的恢复力模型与模拟的骨架曲线对比吻合较好,可以为此类耗能梁段弹塑性分析作为参考。关键词:腹板连接型耗能梁段;抗震性能;恢复力模型;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:():,(.,;.,):,(,),:;引言传统的偏心支撑钢框架主要由框架柱、框架梁、支撑和支撑中耗能梁段组成
3、。等提出 的结构思路后,主要研究结构的受力特征与破坏模式。等考虑将耗能梁段从偏心支撑钢框架中分离出来设计,通过进行考虑不同截面类型、不同构造连接、中间加劲肋间距等因素的抗震实验,结果表明,分离式设计的耗能梁段具有良好的稳定性。刘虓等提出端板连接型耗能梁段这种新连接方式,并建立端板连接型耗能梁段的有限元模型,结果表明,带有端板连接型耗能梁段的偏心支撑钢框架结构具有良好的能量耗散能力。殷占忠等利用 有限元分析程序模拟根端板连接型可替换耗能梁段在循环荷载作用下的抗震性能,结果表明该连接形式的耗能梁段产生了显著的端板焊缝撕裂破坏,会影响该结构形式耗能梁段在地震作用中的充分耗能。殷占忠等设计组不同参数的
4、端板连接型耗能梁段,在偏心支撑钢框架中进行试验研究,研究表明端板连接型耗能梁段试件具有良好的抗震性能。程倩倩等利用有限元软件建立可替换双槽钢截面耗能梁段的高强钢框筒结构,研究腹板加劲肋间距、长度比对结构承载能力、刚度和耗能能力的影响,并通过试验验证双槽钢截面连接形式的耗能梁段在地震作用下充分耗能的结果。虽然国内外学者对耗能梁段研究较多,但是对耗能梁段的恢复力模型研究较少。殷占忠等将可替换端板连接型耗能梁段单独设计,建立简化的端板连接型可替换耗能梁段恢复力模型;连鸣等 基于 型高强钢组合偏心支撑框架的试验结果分析,运用理论分析得到考虑刚度退化的双折线模型以及各特征点的计算公式。本文基于端板连接型
5、耗能梁段在地震下产生显著的端板焊缝撕裂破坏以及国内针对于此类耗能梁段研究较少现象的考虑,运用 进行腹板连接型耗能梁段的数值模拟,通过改变截面尺寸、耗能长度、加劲肋间距、加劲肋布置以及综合参数等重要参数,研究不同参数对腹板连接型耗能梁段抗震性能的规律,确定控制腹板连接型耗能梁段充分耗能的主要参数;并根据数值模拟得到的滞回性能、骨架曲线进行线性回归与计算分析,建立腹板连接型耗能梁段的恢复力模型。并对该简化恢复力模型进行对比,结果较好,说明建立的恢复力模型具有良好的准确性,为此类结构在地震作用下进行弹塑性分析奠定基础。数值模拟试件设计及参数选取将耗能梁段从偏心支撑钢框架中分离出来,以独立剪切连接件的
6、形式通过腹板用高强螺栓与框架梁进行连接设计,课题组试验 研究腹板连接型耗能梁段如图所示。高层民用建筑钢结构技术规程 中规定剪切型耗能梁段的长度应满足下式:.耗能连接件上的截面尺寸、长度、综合参数以及加劲肋间距根据 建筑结构抗震规范 中的规定进行设计,参数如表所列。图腹板连接型可替换耗能连接偏心支撑钢框架抗震性能研究 数值模型建立腹板连接型可替换耗能连接数值模拟选取节点六面体二次减缩积分单元()。为保证耗能连接真实受力情况和试验情况相同,将加载设备也建入 有 限 元 模 型,如 图 所 示。加 载 设 备 由地震工程学报 年 钢材组成,刚度较大加载过程中不会发生变形,所以将加载梁和框架梁通过绑定
7、连接成一个整体。耗能连接与加载梁、螺栓与耗能梁段及框架梁,设置成面与面接触,槽钢与加劲肋通过绑定连接。表模型参数 试件编号槽钢截面尺寸长度综合参数加劲肋个数加劲肋布置 注:综合参数为与比值图数值模型 将上侧加载梁端部约束、两个方向位移,放开方向位移用于模拟位移加载以模拟试验中加载架左侧铰支座;下侧加载梁端部约束、三个方向位移,模拟试验中右侧铰支座。在上侧加载梁施加方向位移,单向加载和循环加载均采用位移加载方式,循环加载时采用等幅值加载,循环加载制度按,方式进行加载,为梁段的初始屈服位移。材料本构关系耗能梁段采用 ,加载梁以及框架梁选用 ,腹板连接使用的螺栓选用 级的 高强螺栓。在数值模型建立的
8、过程中,加载梁以及框架梁选用理想弹塑性模型,钢材的材料性能如表所列。表材料性能指标 材料 高强螺栓 注:为屈服应力;为屈服时的塑性应变;为与极限应力相对应的塑性应变;为破坏时应力,为破坏时塑性应变数值模拟结果分析滞回曲线各试件滞回曲线如图所示。研究发现腹板连接型耗能梁段在循环荷载作用下经历弹性、弹塑性以及完全塑性阶段。滞回性能为:加载初期,梁段整体位于弹性阶段,加载刚度等于卸载刚度;位移荷载的提高,试件的残余变形增大,滞回曲线产生拐点,表明耗能梁段进入弹塑性阶段,此阶段滞回面积逐渐增大,试件的卸载刚度与初始刚度较为接近;随着位移循环大约为 时,试件进入完全塑性阶段,滞回面积趋于饱满稳定,再加载
9、时产生滑移段,第 卷 第期殷占忠,等:带可替换腹板连接型耗能梁段的恢复力模型研究随着位移荷载的增大而滑移值不断增加。加劲肋间距、耗能长度以及综合参数的改变对腹板连接型耗能梁段的滞回性能的影响不明显,截面尺寸是影响腹板连接型耗能梁段的滞回性能最主要参数:对比试件 、与 滞回环可知,当截面尺寸增大时,耗能梁段的承载能力逐渐提升,滞回曲线的捏缩效应逐渐严重,试件的滑移值随着截面尺寸的增大,相同位移荷载阶段的滑移值基本相同;随着位移荷载的增加,滑移值随对数函数形式非线性增长。产生滑移是因为耗能梁段腹板区域采用螺栓连接,剪切力通过螺栓群传递,达到静摩擦力极限,螺栓立即在椭圆形螺栓孔中滑动,荷载值近似为常
10、数值;当螺栓摩擦力继续增加,剪力再次传递给腹板,荷载值迅速增加。图滞回曲线 骨架曲线骨架曲线见图、图与图。根据截面尺寸,耗能长度,综合参数,加劲肋间距以及加劲肋布置等影响因素下的计算结果,确定了建立恢复力模型的重要参数(表)。对比 、和 可知,当截面尺寸增大时,耗能梁段的屈服强度、极限荷载也相应的提高。当截面尺寸中只改变腹板厚度大小时,腹板厚度越大的耗能梁段极限承载力越高。试件 比 腹板厚度提高,相应的屈服荷载、极限荷载均值提高 、,这说明在截面尺寸中,腹板厚度是影响耗能梁段恢复力模型建立的关键因素。从图()可知,耗能长度以及综合参数的增加并不能影响骨架曲线的整体走势,对比试件 、和 可知,当
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