设置剪切摩擦耗能装置外露式钢柱脚抗震性能研究

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为减小地震作用下结构受到的损伤,实现震后快速恢复,提出了一种设置剪切摩擦耗能装置的外露式钢柱脚(Exposed Steel Column Base with Shear Friction Energy Dissipation Device,简称SFSCB)节点。SFSCB节点构件间力的传递路径明确,通过布置在钢柱翼缘外侧的剪切摩擦耗能装置耗散地震能量,抵抗柱脚节点上的荷载。柱脚节点中的塑性变形主要集中在剪切耗能板截面上,减小钢柱和基础钢梁等重要结构构件的损伤,震后只需更换受到损伤的剪切摩擦耗能装置就可恢复结构的使用功能,实现了快速修复的目的。主要研究内容包含以下几部分:(1)使用软件ABAQUS建立设置剪切耗能装置外露式钢柱脚(Exposed Steel Column Base with Shear Energy Dissipation Devices,简称SSCB)有限元模型,并将有限元模拟结果与试验结果进行对比。(2)在SSCB节点的基础上增加了摩擦装置,设计出一种SFSCB节点。首先对SFSCB节点进行了理论分析,通过对SFSCB节点的合理简化,推导出SFSCB节点的承载力计算公式,并对该柱脚节点的恢复力模型进行分析。(3)采用(1)中验证的SSCB节点的有限元建模方法建立了(2)中提出的SFSCB节点有限元模型。分析了SFSCB节点模型的变形特征和滞回性能。(4)分析SFSCB节点设计参数与抗震性能之间的关系。设计参数包括:剪切耗能板厚度、起滑系数和钢柱轴压比;抗震性能主要是SFSCB节点滞回性能,包括:柱脚承载力、耗能能力以及模型的刚度等。主要结论包含以下三部分:(1)有限元模型可以很好地模拟出SSCB节点试验中试件的变形特征,在小变形下有限元模型与试验中的滞回曲线吻合度较好,说明SSCB节点有限元建模方法是正确的,验证了有限元模型参数设置的合理性。(2)SFSCB节点的理论计算结果与有限元计算结果对比结果可知,在弹性阶段二者的计算结果吻合度很好,在塑性阶段计算结果吻合度较好。(3)当剪切耗能板厚度从8mm增大至12mm时,模型的屈服承载力提高约21%,最大承载力提高约39%,累积耗能能力提高约10%;当起滑系数从0.69增大至0.96时,模型的滑动阶段承载力提高约20%,累积耗能能力提高约20%;当钢柱轴压比从0.1增大至0.3时,模型的滑动阶段承载力提高约26%,模型的屈服承载力提高约16%,最大承载力提高约11%。
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