帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的抗彎鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)主要以全焊和栓焊形式連接，但地震過(guò)程中大量焊接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了脆性破壞，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)低延性、弱耗能特征。隨著基于性能抗震設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，同時(shí)具有良好的耗能能力和自復(fù)位性能的新型梁柱節(jié)點(diǎn)成為工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文利用形狀記憶合金(SMA)的超彈性特性和非石棉(NAO)摩擦耗能器的構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，提出一種帶SMA桿和NAO摩擦耗能器的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)(NAO-SMA-SC)。NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位性

2、能由大直徑SMA桿提供，但目前有關(guān)大直徑SMA桿的材料性能和適用的本構(gòu)模型的研究較為匱乏，對(duì)于SMA梁柱節(jié)點(diǎn)滯回性能和SMA自復(fù)位框架抗震性能的研究亦較少，為此，本文展開(kāi)試驗(yàn)研究和有限元模擬分析，主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)針對(duì)不同直徑的國(guó)產(chǎn)SMA桿進(jìn)行材料性能試驗(yàn)研究，并從馬氏體相變開(kāi)始應(yīng)力、殘余應(yīng)變、單圈滯回耗能和等效黏滯阻尼比等角度，討論了試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值、直徑大小、試驗(yàn)加載速率對(duì)材料性能的影響。試驗(yàn)分析結(jié)果表明:一

3、定循環(huán)次數(shù)的常幅加載能使SMA桿獲得更為優(yōu)越和穩(wěn)定的材料性能;增大應(yīng)變幅值能提高SMA桿的耗能能力，但降低了超彈性性能;直徑大小和加載速率對(duì)SMA桿的耗能能力均沒(méi)有明顯的影響，但相同應(yīng)變幅值下，SMA桿殘余位移隨其直徑的增大而增大。
　　(2)針對(duì)SMA試驗(yàn)曲線中出現(xiàn)的應(yīng)變強(qiáng)化段加卸載路徑差異性，基于一維宏觀唯象超彈性SMA本構(gòu)模型-Lagoudas模型，提出了超彈性SMA應(yīng)變強(qiáng)化段改進(jìn)模型;統(tǒng)計(jì)了殘余變形與循環(huán)次數(shù)和應(yīng)變幅值的關(guān)

4、系，并提出了累積相變應(yīng)變的概念;基于殘余變形和累積相變應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，提出了考慮殘余應(yīng)變的SMA桿本構(gòu)模型;而試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果較高的吻合程度，驗(yàn)證了模型的有效性。利用OpenSees軟件二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了SMA本構(gòu)模型在OpenSees材料庫(kù)中的添加。
　　(3)基于SMA桿和NAO摩擦耗能器的試驗(yàn)性能研究，提出了NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造系統(tǒng)，包括自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)與NAO摩擦耗能器，并系統(tǒng)分析了其工作原理和力學(xué)行為，分析表

5、明NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)充分利用SMA桿的超彈性特性和NAO摩擦耗能器的耗能穩(wěn)定特征，實(shí)現(xiàn)了摩擦耗能型自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系;同時(shí)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造克服了梁柱節(jié)點(diǎn)處樓板布置不便的困難，也加強(qiáng)了震后構(gòu)件的可更換性。利用OpenSees軟件建立NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，詳細(xì)描述了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各構(gòu)件的力學(xué)行為，有效驗(yàn)證了其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性和簡(jiǎn)化模型的有效性。
　　(4)基于OpenSees的NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，詳細(xì)分析了NAO

6、摩擦耗能器提供的摩擦力Ff、SMA桿直徑DSMA和SMA桿初始預(yù)應(yīng)變PSMA對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響，結(jié)果表明:增大Ff能明顯提高節(jié)點(diǎn)抗彎能力和耗能能力，但同時(shí)會(huì)增大節(jié)點(diǎn)殘余變形;增大DSMA能顯著增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗彎能力和自復(fù)位性能;對(duì)SMA桿施加預(yù)應(yīng)變PSMA能有效降低節(jié)點(diǎn)的殘余變形。總體而言，節(jié)點(diǎn)耗能能力的提高，是以增大節(jié)點(diǎn)殘余變形為代價(jià)。
　　(5)針對(duì)NAO-SMA-SC節(jié)點(diǎn)特征，設(shè)計(jì)三層NAO-SMA-SC框架算例;建立基于Ope

7、nSees的框架簡(jiǎn)化模型，并選取一組罕遇地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，研究了SMA桿面積ASMA、NAO摩擦耗能器等效面積ANAO、SMA桿初始預(yù)應(yīng)變PSMA等參數(shù)對(duì)框架主要抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律，分析結(jié)果表明:ASMA的增大，能降低結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角和殘余位移角，有利于提高結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能和結(jié)構(gòu)樓層位移角分布的均勻程度;ANAO的增大，有效減小結(jié)構(gòu)的最大層間位移角，但增大結(jié)構(gòu)的殘余位移角，不利于提高結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能，且結(jié)構(gòu)的薄