基于T型钢耗能的预应力自复位钢结构梁柱节点抗震性能研究

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预应力自复位结构通过预应力钢绞线的预拉力实现结构功能的快速恢复,地震中能防止主结构的损伤,减少残余变形。预应力自复位结构通过设置耗能元件来消耗地震能量,以往研究多采用单一耗能元件,如利用角钢的弯曲变形耗能、钢板剪力墙的斜向拉力场耗能、摩擦连接件的滑移摩擦耗能。然而,单一耗能元件在地震中往往损伤严重,甚至引发断裂。本文提出一种能同时以摩擦和弯曲方式联合耗能的T型钢作为自复位结构的耗能元件,在提高结构耗能能力的同时,使结构具有更高的安全度。梁柱连接节点是结构体系中保证传力可靠的关键部位,其抗震性能对结构体系的抗震性能影响显著。本文将针对新型预应力自复位梁柱节点的抗震性能开展系列研究,为其推广应用提供技术支撑。本文考虑T型钢翼缘腹板厚度和预应力钢绞线初始预应力等因素,设计了5个足尺的预应力自复位梁柱节点试件,并对其开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验,考察试件的破坏过程和破坏模式,依据滞回曲线和骨架曲线,得到各节点试件的承载能力、延性系数、刚度退化和耗能系数等抗震性能指标。试验结果表明,5个足尺的预应力自复位梁柱节点试件的最终破坏均由梁柱节点转角处T型钢产生明显的塑性铰引起,5个节点试件的滞回曲线呈“双旗帜”型,说明该新型预应力自复位梁柱节点具有良好的自复位能力,揭示了T型钢翼缘腹板厚度、预应力钢绞线初始张拉力对节点抗震性能的影响规律。利用有限元软件ANSYS对5个足尺的预应力自复位梁柱节点试件进行数值模拟,并与试验结果进行对比分析。对比表明:有限元模拟结果与试验数据吻合较好,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,对标准节点试件进行参数化分析,揭示了T型钢腹板与加强板之间的抗滑移系数、T型钢翼缘腹板厚度、预应力钢绞线初始张拉力以及预应力钢绞线的布置对节点抗震性能的影响规律,结合试验和有限元分析结果,给出新型预应力自复位梁柱节点可用于指导工程实际的构造措施。根据本文提出的预应力自复位梁柱节点的受力机理,给出了一种可用于工程实际推广的设计方法以及具体的设计步骤。并通过理论分析提出一个节点的弯矩-转角关系计算公式,并通过与试验和有限元进行对比,结果表明所提出的弯矩-转角关系计算公式有较好的精度,可供该类预应力自复位梁柱节点设计和实际应用参考。
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