双向地震下可恢复功能埋入式钢柱脚节点的抗震性能与设计方法

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钢框架结构是地震区常用的抗震结构体系,而传统刚接柱脚(埋入式、外包式)在罕遇地震下会发生严重损伤而难以修复,影响结构乃至城市的震后功能快速恢复。为解决传统柱脚节点的不足,相关学者提出基于预应力自复位思路的可恢复功能钢柱脚节点,但仍存在以下问题难以解决:1)柱脚节点具有明显的双向变形和受力特征,但现有的可恢复功能柱脚节点的双向工作性能仍未被充分了解,双向地震下的设计理论尚未完善;2)预应力钢筋弹性变形空间不足,需通长布置以保证足够的弹性变形空间;3)预应力钢筋需现场张拉,增加了施工的繁琐程度。针对上述可恢复功能柱脚节点研究的不足,本文提出一种双向地震下可恢复功能埋入式钢柱脚节点,其由拼接段、上柱段、下柱段、高强螺杆和屈曲约束耗能板(Buckingrestrained Plate,简称BRP)组成。其中上下柱段通过穿过柱中心的预应力高强钢棒以及位于四周的BRP连接,再与拼接段通过高强螺栓连接形成整体钢柱。本文围绕双向地震作用下新型柱脚节点的力学模型、抗震性能和震后复位能力等问题开展研究,主要研究内容和结论如下:(1)第二章中,提出新型柱脚节点具体的构造、施工方案和工作原理,利用各构件轴向变形与柱脚撬动变形的关系计算各构件的内力,并根据类桁架的受力机制推导出柱脚撬开和各方位BRP屈服临界状态时的单向受力性能以及双向地震作用下柱脚撬动面弯矩-相对转角计算公式,用于分析柱脚任意水平加载路径的力学响应。本章依据小震柱脚不撬动、大震柱脚主体及高强螺杆保持弹性和震后柱脚可恢复三个性能水准目标,初步提出新型柱脚节点的抗震设计方法,为柱脚用于实际工程结构提供理论基础。(2)第三章中,对上述新型节点(含高强螺杆和BRP,简称组合耗能节点)进行4种不同加载路径的拟静力试验(单向、四叶草、回字形和45度加载),探究组合耗能节点在不同地震加载路径下的力学性能;对不带BRP的纯复位柱脚节点(简称纯复位节点)以四叶草路径进行拟静力试验,验证第二章撬动点位置的合理性。试验结果表明:1)在不同双向加载路径,最大合层间位移角达到3%时,组合耗能节点塑性耗能主要集中在BRP,柱脚主体基本保持弹性;2)连续经历大震和余震,组合耗能节点未发生破坏现象,延性良好;3)第二章提出的理论可有效预测组合耗能节点各构件的内力和节点撬动面的弯矩响应,弯矩峰值有效误差范围在15%以内。(3)第四章中,采用ABAQUS有限元分析进一步剖析第三章试验各构件的工作状态,并采用OpenSees地震工程模拟软件,参数化分析不同柱截面、轴压比、初始预应力比、不同BRP配置对新型柱脚节点性能的影响。结果表明:1)试验中预应力的损失来源于高强螺杆自身塑性屈服和柱脚撬动面位置的局部塑性屈服;2)柱脚节点可通过控制重力和初始预应力之和,以达到柱脚小震不撬动的要求;3)当BRP拆除后,柱脚均恢复到原位,达到震后修复的目的;4)第二章的设计方法可保证柱脚主体节点处于弹性状态。(4)第五章中,采用OpenSees软件对设置新型柱脚节点的可恢复功能钢框架和传统钢框架进行弹塑性时程分析对比。结果表明:新型结构的残余层间变形有效降低,实现了结构的震后自复位;新型结构塑性损伤主要集中在柱脚节点的BRP上,结构主体结构基本保持弹性,同时基底剪力相对较小,保护基础免受地震震害;新型柱脚节点在更换BRP后即可完成震后修复,具有良好的功能可修复性。
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