具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架新体系研究

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具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架(fabricated energy dissipation braced steel frame with re-centering function简称RFE-BF)新体系既有工业化装配式钢结构施工现场无焊接、无湿作业、无建筑垃圾、施工周期短、节约能源、梁柱节点刚度控制灵活的特征,又具有可修复结构强震时控制结构损伤、减少或消除残余变形、震后容易修复的优点,其从结构构件选材、加工到结构整体施工、运营及拆除回收利用的整个过程均符合全寿命过程绿色建筑的理念。本课题对具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架新体系及其关键构件进行了构造创新,构建了适合于多、高层建筑的具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架新体系,开展了从关键构件构造创新到整体结构性能化抗震设计的研究,具体成果如下:  (1)在全寿命过程绿色建筑的理念下、基于可修复的设计思想,提出了一种具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架(RFE-BF)新体系,该体系采用装配式铰接钢框架(FHSF)结构与具有复位功能的装配式支撑相结合的方式,使其在中震及大震中主体框架基本保持弹性状态,震后可通过支撑的复位索体提供回复力使结构体系复位。  (2)提出了一种兼具摩擦耗能与复位功能、适合在RFE-BF中应用的装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑(fabricated friction energy dissipation re-centering brace with zero initial cable force简称FZFRB)。该支撑采用两组初始索力为零的镀锌钢丝绳索体,无论支撑受拉或是受压,两组索体均交替受力(即一组索体受拉时,另一组索体自然松弛不受力)。该支撑的这一构造简化了以往索体需要预先施加预应力的复杂工序,解决了由此带来的预应力松弛问题,并且镀锌钢丝绳索体为低弹模、高强度索体,其变形能力强,可以满足结构大震变形的要求。采用黄铜一槽孔钢摩擦板耗能器为该支撑提供稳定的耗能能力,并通过震后放松黄铜一槽孔钢摩擦板耗能器中高强螺栓,消除摩擦力、打破支撑受力平衡,由支撑的一组钢丝绳索体为结构提供复位所需的回复力。  (3)对FZFRB中采用的槽孔摩擦板耗能器的力学性能进行了试验研究。槽孔摩擦板耗能器负责该支撑能量耗散及提供稳定的摩擦力,所以其力学性能对该支撑各构造部分的设计有很大的影响。而目前关于槽孔摩擦板耗能器的力学性能研究都集中在耗能能力方面,孔槽尺寸及摩擦材料对摩擦力影响的定量研究还很少,对于耗能器承载力(即摩擦力)也没有准确的计算公式提出。因此,设计了12组低周往复试验,研究了常用摩擦材料、槽孔尺寸以及垫片种类对槽孔摩擦板耗能器力学性能的影响,并给出了槽孔摩擦板耗能器用于支撑及框架时的精确摩擦力计算公式。  (4)对FZFRB的力学性能进行了低周往复试验研究。通过3组不同直径钢丝绳索体及高强螺栓的组合(Φ14-M16、Φ20-M16、Φ20-M20),设计了3个FZFRB试验试件,研究了不同直径索体及高强螺栓在中震、大震对应位移下对该支撑的耗能性能、承载力、滞回性能,并与对应的有限元及理论进行了对比分析。研究表明:该支撑试验分析、理论推导及有限元模拟的滞回曲线基本重合,滞回曲线呈平行四边形状。采用相同型号高强螺栓,不同直径的索体时,支撑耗能相差不大,支撑刚度、承载力随索体直径呈线性变化;采用不同型号高强螺栓,相同直径索体时,支撑刚度几乎不变,承载力差值为摩擦力差值,支撑耗能随高强螺栓型号成线性倍数变化。即FZFRB的耗能及初始回复力由摩擦力决定,加载刚度、承载力由索体决定。镀锌钢丝绳索体的最大索力没有超过其屈服力值,加载过程中预应力损失非常小。卸载后至支撑位移零点时,其残余荷载分别仅为-0.32kN,-0.46kN,-0.21kN,说明该支撑复位效果很好。  (5)对3组具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架体系的单榀子结构及1组装配式铰接钢框架结构的单榀框架结构进行了低周往复试验研究。试验表明:在相当于8度多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下,结构可以实现其震后复位的目标。试验过程中,结构的两组钢丝绳索体索力交替线性变化,试验所得滞回曲线大致呈平行四边形状,曲线饱满,加载及卸载刚度基本不变,结构刚度主要由FZFRB中索体决定;结构耗能基本由FZFRB中摩擦耗能器完成,其铰接装配式钢框架耗散很少的能量。  (6)在全寿命过程绿色建筑理念下,提出了基于可修复抗震设计思想的具有复位功能的装配式耗能钢支撑钢框架新体系的性能化设计方法,提出了结构性能化设计准则和设计流程。提出的“多遇地震时,结构整体保持弹性,结构无损伤,FZFRB基本无摩擦耗能,震后结构自复位;设防地震时结构主体与FZFRB各构造部分均保持弹性状态,FZFRB摩擦耗能,控制结构最大变形值小于结构复位停止时的结构极限变形值,使得结构震后可自行复位;罕遇地震时结构主体无屈曲破坏,除FZFRB摩擦耗能外,柱脚屈服耗散少量能量,结构其他部分均保持弹性状态,结构主体震后残余变形控制在可修范围之内(即结构层间位移角小于0.5%),震后通过放松摩擦耗能器中高强螺栓使得支撑带动结构复位”的性-能化设计目标,实现了结构“中震后无需修理,大震时既保护生命又保护财产安全,大震后既可修又快修,承受密集和较大余震”的设防目标。  (7)在整体结构分析中采用连接单元模拟FZFRB的恢复力模型,对具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架新体系进行了模态分析和动力时程分析,并将其在不同水准地震动下的楼层基底剪力、层间位移角、残余位移角、等效塑性应变以及结构耗能等性能与同尺寸的刚接框架进行对比分析。研究表明:具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架体系在8度多遇地震、设防地震作用下均保持弹性,主要通过阻尼耗能、弹性应变能和动能耗能;在8度罕遇地震时结构主要依靠阻尼耗能和摩擦阻尼器耗能,塑性耗能非常少,结构震后的残余位移角远小于结构可修复的极限层间位移角0.5%,说明该结构在可修范围内,并具有良好的抗震性能和复位能力。具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架体系在层间位移角控制和减少主体结构塑性性能方面优于刚接钢框架结构。验证了在全寿命过程绿色建筑理念下、基于可修复抗震设计思想提出的具有复位功能的装配式耗能支撑钢框架新体系性能化设计方法的可行性。
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