柱端设置L形连接件滑移摩擦节点单层钢框架抗震性能研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:李成玉()男博士教授主要从事钢结构抗震损伤控制研究:.通信作者:吴东平()男博士副教授主要从事钢结构抗震研究:.文章编号:():./.柱端设置 形连接件滑移摩擦节点单层钢框架抗震性能研究李成玉马延港陈焰周吴东平(.武汉科技大学 城市建设学院湖北 武汉 .中南建筑设计院股份有限公司湖北 武汉.武汉科技大学 城市更新湖北省工程研究中心湖北 武汉)摘 要:基于损伤控制的理念研究柱端设置 形连接件滑移摩擦节点()钢框架的抗震性能和损伤情况 设计并制作了 个/缩尺的单层单跨梁贯通式钢框架试件其
2、中:一个为柱端设置 钢框架试件另一个为普通钢框架试件对其进行拟静力加载试验 普通钢框架试验结束后柱脚屈曲严重柱顶翼缘轻微屈曲 柱端设置 的钢框架在试验过程中 如期发生转动进行摩擦耗能试验结束后 连接件发生弯曲变形黄铜摩擦片出现磨损钢柱无明显损伤变形利于震后修复柱端设置 钢框架滞回曲线饱满表现出良好的抗震性能 试验结果表明:设置 钢框架可以通过 滑移摩擦和连接件屈服进行耗散地震能量使梁柱等主体结构保持弹性 为提高柱端设置 钢框架的抗震性能建立有限元模型做进一步分析配置隅撑的 钢框架承载能力和耗能能力均有提升 有限元结果表明:配置隅撑可以在保证 工作性能的前提下显著提高柱端设置 钢框架的承载能力和
3、耗能能力增强抗震性能关键词:损伤控制滑移摩擦耗能 形连接件梁贯通抗震性能中图分类号:.文献标识码:(.):()./.第 期李成玉等:柱端设置 形连接件滑移摩擦节点单层钢框架抗震性能研究 .:引言在建筑绿色化、工业化和信息化推进下装配式钢结构建筑迎来蓬勃发展 模块化钢结构是装配式钢结构建筑工业化进程中的一项新兴技术在工厂预制现场进行机械化安装与传统施工模式相比可大幅度提高施工质量缩短施工周期 现有的钢结构连接方式主要有柱贯通式、梁贯通式和隔板贯通式柱贯通式和隔板贯通式已有大量的研究粱贯通式由于行业规范等原因研究相对较少 但随着分层装配式钢结构的发展梁贯通式以其装配快捷、布置灵活和预制率高等优点开
4、始逐渐被研究 贾元荣等对分层装配式支撑钢框架工程设计进行了研究 等对两个足尺仅受拉同心支撑梁贯通式钢框架进行了拟静力试验 等对梁贯通式钢框架梁柱节点进行研究 等通过试验研究发现梁贯通式节点具有更好的滞回性能大量震害表明:由于楼板效应和双向地震等原因的影响在地震作用中框架结构易形成柱铰破坏机制引起层间变形集中的“薄弱层”破坏“强柱弱梁”机制中的“强柱”并没有起到预期的核心关键构件的作用 等通过设置摇摆核心来减轻低层和中层钢同心支撑框架中的层间位移集中和薄弱层破坏 等通过试验研究发现在梁贯通式结构中设置连续柱可有效地减小地震作用下低层建筑的最大层间位移和层间位移集中程度由地震造成大量建筑的损伤或倒
5、塌导致人员的伤亡和巨大财产损失让社会和人们难以接受迫使现代抗震理念从基于延性抗震设计模式向基于低损伤抗震设计模式转变 研究表明:在结构中设置摩擦连接可以有效耗散地震能量减少梁柱等主体结构的损伤 等提出采用摩擦连接作为钢框架柱脚耗能器的概念该柱脚在震后几乎没有永久性损伤是一种较为理想的低损伤减震构造 等利用外露式柱脚底板的转动特性提出了一种利用摩擦耗能的新型柱脚 等通过试验研究证明了摩擦装置可以有效耗散地震能量减少结构损伤 等提出了双向摩擦耗能自复位摇摆钢柱脚通过摩擦板有效耗散地震能量 等研究了一种新型的柱脚连接节点通过角钢将柱和底座连接在地震时将损伤集中在角钢上减少柱的损伤 等通过试验表明强震
6、作用下损伤能集中在耗能保险丝上梁柱等主要构件保持弹性王宇亮研究表明应设置碟形垫片以保证预紧力的稳定使阻尼器工作性能良好李成玉等提出了一系列滑移摩擦节点并设置到柱和框架中通过试验和有限元模拟证明滑移摩擦节点可有效耗散地震能量使梁柱等主体结构保持弹性图 连续柱分层装配式钢框架体系.基于已有研究为了使框架钢结构在地震作用下避免出现局部失效模式以及降低主体结构损伤程度课题组融合连续柱和滑移摩擦节点提出了内置连续柱的柱端设置滑移摩擦节点分层装配式钢框架结构体系如图 所示 柱端设置 形连接件滑移摩擦节点()在地震作用下通过 滑移摩擦和连接件的屈服进行耗能使梁柱等主体结构保持弹性仅通过更换连接件就能实现快速
7、修复 本文提取上述体系中的单层单跨钢框架子结构通过试验和有限元模拟对其抗震性能进行研究世 界 地 震 工 程第 卷 构造与工作原理 构造形式如图 所示 钢柱翼缘与腹板分别开有满足于节点转动的长圆孔和大圆孔 形连接件的竖直肢和钢柱翼缘(腹板)、水平肢与底座或梁下翼缘通过高强螺栓连接 为了使节点拥有更稳定的摩擦耗能在连接件和钢柱之间放置黄铜摩擦片连接件和黄铜摩擦片均开标准圆孔 由于柱头节点和柱脚节点构造一致现以柱脚节点为例说明 工作机制如图()所示 在小震作用下节点不发生转动在较大震作用下钢柱绕受压侧翼缘转动受拉侧翼缘抬起钢柱受拉侧翼缘(腹板)与黄铜摩擦片之间产生滑动摩擦从而实现滑移摩擦来耗散地震
8、能量 在此过程中合理设置滑移起滑力阈值可使框架梁和柱基本保持弹性状态 地震结束后通过更换连接件即可实现结构的快速修复图 形连接件滑移摩擦节点.试验设计.试验设计及板件材性按照 缩尺设计制作两个单层单跨的钢框架试件试件 为普通框架试件试件 为柱端设置 的钢框架试件如图 所示 两个框架均采用梁贯通式框架尺寸与梁柱截面均相同跨度 高度 所有试件柱和梁截面均 .试件各主体构件采用 梁和连接件的连系螺栓采用.级 的摩擦型高强螺栓螺栓预紧力为 图、图、图 以及图 中单位为 详图如图 所示 连接件采用 钢柱和连接件采用.级 高强螺栓连接 为保证 在未滑移阶段具有足够的连接强度使连接件和钢柱整体共同受力在滑移
9、阶段能够通过滑移摩擦进行耗散能量 因此施加螺栓预紧力 为使螺栓预紧力保持稳定更好的发挥 的性能所以螺栓一端使用碟形垫片根据金属材料拉伸试验室温试验方法(/.)的有关规定对型钢的翼缘和腹板以及连接件进行材性试验结果见表 图 试验试件.第 期李成玉等:柱端设置 形连接件滑移摩擦节点单层钢框架抗震性能研究图 节点详图.表 试验材性参数表 板件材性厚度/屈服强度/抗拉强度/伸长率/翼缘.腹板.连接件竖直段.连接件水平段.隅撑.加载及测试方案试验加载装置如图 所示 框架柱底座采用.级 高强螺栓与大底座相连大底座通过地锚螺栓锚固 竖向荷载采用 液压千斤顶施加在分配梁上再通过铰支座传递给框架柱顶液压千斤顶顶
10、部与反力架横梁间设有水平滑动装置以满足水平位移框架水平荷载通过电液伺服作动器施加作动器最大行程为 最大荷载为 为防止框架发生平面外失稳在框架周围设置有防护装置图 试验加载装置.世 界 地 震 工 程第 卷在框架内侧梁下翼缘、左侧梁端(与作动器运动方向一致)以及框架柱反弯点处布置位移计测量结构在水平荷载下位移和竖向变形 通过粘贴应变片来监测测点应变状态测点布置如图 所示 根据美国 抗震规范规定以层间位移角控制加载加载制度如图 所示 实际加载时采用各层间位移角对应的位移进行加载前三级加载每级循环 次第四级加载循环 次之后每级循环 次加载至第十级(层间位移角)停止加载 竖向荷载采用液压千斤顶施加对应
11、钢柱轴压比.试验前对试件进行预加载检测实验装置与测量设备的工作是否正常 图 应变测点布置图 图 加载制度 .试验结果与分析.试验现象试件 在前六级加载结束时试件无明显变化在水平位移加载至第七级第一循环正向.(层间位移角)时柱脚处翼缘发生屈曲变形加载至第九级第一循环正向.(层间位移角)时柱脚处腹板发生鼓曲加载至第九级第一循环负向.(层间位移角)时右侧柱顶翼缘发生变形 加载至第十级第二循环负向 (层间位移角)停止试验柱脚屈曲严重柱顶翼缘轻微屈曲框架梁无明显损伤变形试验结束时形态如图 所示 图 试件 的试验现象 图 试件 的试验现象 .第 期李成玉等:柱端设置 形连接件滑移摩擦节点单层钢框架抗震性能
12、研究试件 在第三级第二循环 (层间位移角.)加载结束时试件各部件均处于弹性阶段在第四级(层间位移角)加载结束时未出现明显的滑移现象试件在第五级第一循环 (层间位移角.)时柱脚 出现滑移试件在第六级第一循环 (层间位移角 )时柱顶 发生明显滑移继续加载节点处滑移量逐渐增加 加载至第十级第二循环负向 (层间位移角)停止试验框架梁和柱均未发生明显损伤变形试验结束时构件形态如图 所示试验加载结束后对试件 左柱脚 拆除如图 所示 可以观察到内外连接件和黄铜板均有明显滑移痕迹框架柱和连接件表面附着大量的黄铜粉螺栓孔周围最为显著连接件竖直肢发生弯曲变形梁柱等主要构件未出现明显变形图 拆解图().().滞回曲
13、线从图 中可以看出:试件 和 的滞回曲线饱满表现出良好的耗能能力 试件 正向加载到第九级.(层间位移角 )水平承载力达到最大值由于柱脚屈曲发展之后承载力出现退化在同级循环加载下框架承载力有明显退化正负向滞回曲线基本对称 在加载初期试件 处于弹性阶段滞回曲线几乎重合为一条直线随着水平加载位移的增加滞回环面积逐渐变大 滞回曲线出现“捏拢”现象表明了在加载过程中节点出现滑移 由于节点在滑移过程中出现摩擦“振动”因此滞回曲线部分段上有轻微“抖动”现象 试件 由于滑移摩擦耗能和连接件塑性耗能滞回曲线上出现较长的平台段同级循环加载下承载力无明显退化正负向滞回曲线表现出良好的对称性图 试验滞回曲线.骨架曲线
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