鋼框架新型耗能梁柱節(jié)點滯回性能的研究.pdf

1、在1994年美國Northridge和1995年日本Kobe地震中,大量梁柱焊接剛性節(jié)點發(fā)生了脆性破壞,引起人們對鋼框架變形延性的重新審視。同時隨著基于性能抗震設計理念的發(fā)展,具有自復位和易于修復特性的新型梁柱節(jié)點正日益獲得關注。形狀記憶合金(SMA)是具有形狀記憶效應和超彈性特性的智能材料,加之良好的變形延性和優(yōu)越的抗疲勞性能,使其成為結(jié)構耗能減震的新型材料。有鑒于此,為進一步改善鋼框架的變形延性和抗震性能,本文利用SMA螺桿改善傳統(tǒng)

2、角鋼連接節(jié)點性能,構造了一種新型耗能梁柱節(jié)點,并開展了節(jié)點的滯回性能試驗研究和理論分析工作。主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　鑒于目前對大尺寸形狀記憶合金材料研究較少,首先開展了大直徑NiTi合金棒材的力學性能試驗研究和數(shù)值模擬。開展了單調(diào)拉伸、循環(huán)拉壓和循環(huán)拉伸等工況下的SMA材性試驗。研究結(jié)果表明:SMA試件的尺寸效應不可忽略,大直徑NiTi合金具有優(yōu)良的形狀記憶效應和超彈性性能;SMA棒材具有比鋼棒更穩(wěn)定的屈曲后性能;SMA原始

3、試件需經(jīng)歷一定循環(huán)作用才可以獲得穩(wěn)定的滯回反應;馬氏體SMA試件的疲勞性能優(yōu)于奧氏體SMA試件,且兩者均與試件變形模式有關,局部發(fā)展塑性將嚴重降低其疲勞壽命。采用ANSYS程序?qū)υ嚰男赃M行了模擬。提出了模擬馬氏體SMA后期強化行為的材性組合模型。分析了程序提供的超彈性本構對不同加載工況的模擬能力,并基于二次開發(fā)建立了可考慮SMA的非對稱拉壓行為和奧氏體相與馬氏體相的彈性行為差異的超彈性單軸本構模型,從而增強了程序的結(jié)構體系模擬能力。<

4、br>　　基于有效控制梁柱節(jié)點損傷部位僅限于連接件的思想,設計和制作了利用SMA螺桿的新型梁柱節(jié)點。開展了節(jié)點擬靜力試驗,并對采用普通鋼螺桿的梁柱節(jié)點開展了同步對比研究。新型節(jié)點利用SMA形狀記憶效應修復受損節(jié)點,利用SMA超彈性減小節(jié)點殘余變形。試驗研究結(jié)果表明:角鋼連接節(jié)點因角鋼安裝預應力效應而具有小變形下的非線性偽彈性行為;SMA螺桿連接節(jié)點因其螺桿具有良好的疲勞性能和獨特的后期強化效應而具有比鋼螺桿連接節(jié)點更穩(wěn)定的滯回性能和耗能

5、能力;鋼螺桿連接節(jié)點因其螺桿斷裂而具有脆性破壞特征;馬氏體SMA因其良好的形狀記憶效應而可以適應不同受損狀態(tài)的節(jié)點性能修復,且其優(yōu)越疲勞性能使相應節(jié)點可以承受2次完整的循環(huán)加載作用;奧氏體SMA因其超彈性而可以有效控制節(jié)點殘余變形,其控制效果取決于SMA螺桿與其他塑性元件(角鋼)的貢獻比例及其自身的超彈性性能退化;奧氏體SMA螺桿施加預拉應變可以明顯改善節(jié)點小變形下的性能。
　　采用ANSYS程序建立了考慮材料非線性、幾何非線性和

6、接觸非線性的節(jié)點精細實體有限元模型,通過與試驗節(jié)點滯回反應的對比驗證了有限元模型的正確性和可行性。分析了不同螺桿預拉模擬方法的準確性和特點;分析了角鋼肢初始傾斜缺陷引起的預應力剛化效應和螺桿初始幾何缺陷對節(jié)點性能的影響;探討了抑制螺桿屈曲對改善節(jié)點性能的有效性;分析了材性組合模型模擬馬氏體SMA螺桿及其節(jié)點的可行性。
　　基于新型梁柱節(jié)點的滯回試驗和有限元研究,建立了可以考慮節(jié)點非線性偽彈性行為、捏縮行為、后期退化或強化及其子循環(huán)

7、效應的簡化滯回模型。利用ANSYS程序的二次開發(fā)功能編制了可以考慮7個廣義自由度的自定義彈簧單元。通過與試驗節(jié)點滯回反應的對比,驗證了本文滯回模型和自定義彈簧單元的準確性和有效性。
　　在節(jié)點試驗和有限元分析的基礎上,建立了考慮節(jié)點主要受力和耗能元件——角鋼和螺桿的節(jié)點初始彈性剛度和極限承載力的預測模型,可以用于初步設計階段的節(jié)點性能評估。針對新型梁柱節(jié)點的特點,提出了節(jié)點設計建議。同時對螺桿的主要設計參數(shù)進行了討論,并基于試驗給