摩擦钢连梁力学性能试验研究

发布时间：2020-04-28 20:23

【摘要】：连梁作为剪力墙体系中重要的抗侧力构件,起到了第一道防线的作用,多次震害表明,小跨高比连梁极易发生剪切破坏,这对连梁的强度及延性来说极为不利,且震后难以修复。消能连梁可以通过合理设计,将连梁的变形与耗能集中在耗能部分,震后通过更换耗能部分,实现结构功能的快速恢复。为了提高剪力墙结构的韧性,本文选择了摩擦阻尼器作为消能连梁的耗能元件,针对摩擦钢连梁展开了一系列研究,包括:首先,设计了三种不同构造形式的连接节点,其中试件1(SJ1)为锚筋构造,考虑钢筋同时承担弯矩和剪力。试件2(SJ2)为角钢加抗剪板的形式,试件3(SJ3)位锚筋加抗剪板的形式,两者都采用弯剪分离设计思想,验算时认为弯矩全部由锚筋/角钢承担。试验结果表明,纯锚筋构造的节点,初始刚度大,连接处损伤均匀,滞回饱满,转动刚度尚可,但后期加载时,锚筋下方混凝土出现局部压溃的情况,预埋端板竖向滑移严重,后期竖向刚度不足;角钢剪切板构造的滞回环较窄,对墙肢损坏集中,难以修复;锚筋加抗剪板构造,损伤扩散均匀,传力充分,且具有较好的转动与竖向刚度;纯锚筋的验算公式理论值与试验值比较接近;弯剪分离设计公式较为保守。其次,对四种不同的摩擦材料进行了循环往复试验,其中碳钛合金、铜铁合金与陶瓷材料的摩擦系数相近,半金属(刹车片)材料的摩擦系数较大,除碳钛合金外,其余三种材料均表现出温度相关性,随着温度升高,摩擦系数有所下降。此外,还对该种阻尼器构造进行了改进,设计使用碟形弹簧来控制摩擦面面压,控制阻尼器的预紧力松弛,并对改进后的阻尼器进行了性能试验;改进后的构造B与构造C在低频加载时具有稳定的力学性能,滑动摩擦力的变化量小于10%,螺栓的预紧力变化不超过10%,其滞回曲线接近矩形,耗能充分。最后,设计了四个连梁试件进行了拟静力试验研究,其中包括一个RC连梁与三个摩擦钢连梁试件。消能连梁中间的耗能段采用摩擦阻尼器,两端的非耗能段为工字截面钢。试验结果表明,传统RC连梁在加载前期以弯曲变形为主,梁身出现水平裂缝,随着加载的进行,梁端塑性铰逐渐出现,后期加载基本围绕塑性铰展开,墙肢与楼板损伤严重。而摩擦钢连梁的主要变形与耗能都集中在阻尼器上,其滞回饱满,耗能能力显著优于传统RC连梁;摩擦钢连梁可以有效的控制墙肢损伤,墙肢裂缝最大宽度小于1mm,楼板损伤小于1.2mm,并未发生楼板损伤集中且严重的情况,且不同形式的楼板对连梁承载力基本无贡献。此外还对试验过程中的装配时间进行统计,两名工人用时80min,即可完成对装配式连梁的全部组装。本文系统的研究了摩擦连梁的构造和设计方法,证明该种连梁是一种有效的抗震结构构件,可以耗散地震能量,控制结构的损伤,有效提高连梁的可更换性能,结合装配式技术,实现结构关键构件的高延性、低损伤、可替换的功能目标。
【图文】：

第一章 绪 论1.1 研究背景实际震害调查与国内外大量的试验研究表明，剪力墙结构在地震作用下，连梁首先开裂屈服，形成塑性铰耗能，为结构的第一道防线。当连梁发生破坏时，剪力墙之间的联系变弱，成为两个独立的构件，整体抗侧刚度降低，结构周期变长，输入的地震能量变少，避免主体承重结构的进一步破坏。因此，剪力墙结构体系抗震性能优异，在我国高层建筑中得到了广泛的应用。但实际震害也表明，连梁并非总是先在梁端形成塑性铰，2008 年 8.0 级汶川地震（尹保江 等，2008）、2010 年智利 8.8 级地震（徐培福 等，，2017），以及2011 年东日本 8.9 级地震（中日联合考察团，2012）中，很多连梁出现“X”状裂缝，呈现剪切破坏的形式。剪切破坏与弯曲破坏相比延性低、耗能差，其作为第一道防线的能力大为折扣。同时，发生剪切破坏的混凝土构件往往难以修复，造成大量的“站立废墟”。

(a) 传统形式提高配箍率 (b) 交叉暗柱形式减小配箍率图 1- 2 Kwan 等试验体配筋形式（Kwan et al,2002）现行 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中采纳的交叉斜筋是交叉斜撑的简化形式。1978 年，G.B.Barney（1980）设计了跨高比为 2.5 和 5.0 的试件，对该种简化进行了试验验证，试验结果表明，2.5 跨高比的试件性能改善更好，且交叉斜撑是否屈曲也会受到混凝土强度的影响。这种形式的连梁对混凝土抗压强度及连梁配箍率都有一定要求，我国规范中有对斜筋的拉筋的构造要求，防止屈曲。1985 年，董志仁等（1985）提出在连梁中间开缝，将连梁分为上下两部分，相当于提高了连梁的跨高比，这样连梁刚度降低，延性有所提高，但是也降低了联肢剪力墙的整体性，且增加了连梁的施工难度。随后曹征良等（曹征良 等，1991）对这种连梁改进为自控连梁，在梁的两端，沿中线各布置一条水平缝，梁中无通缝，这部分素混凝土为“连接键”，小震下，连梁整体工作，刚度较大，大震下，连接键断裂，连梁分为上下梁部分，以受弯变形为主，可形成四个塑性
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU391

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本文编号：2643835