帶SMA桿的自復位梁柱節(jié)點性能研究.pdf

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

2、能由大直徑SMA桿提供，但目前有關大直徑SMA桿的材料性能和適用的本構模型的研究較為匱乏，對于SMA梁柱節(jié)點滯回性能和SMA自復位框架抗震性能的研究亦較少，為此，本文展開試驗研究和有限元模擬分析，主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)針對不同直徑的國產(chǎn)SMA桿進行材料性能試驗研究，并從馬氏體相變開始應力、殘余應變、單圈滯回耗能和等效黏滯阻尼比等角度，討論了試驗循環(huán)次數(shù)、應變幅值、直徑大小、試驗加載速率對材料性能的影響。試驗分析結(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SMA桿的耗能能力均沒有明顯的影響，但相同應變幅值下，SMA桿殘余位移隨其直徑的增大而增大。
　　(2)針對SMA試驗曲線中出現(xiàn)的應變強化段加卸載路徑差異性，基于一維宏觀唯象超彈性SMA本構模型-Lagoudas模型，提出了超彈性SMA應變強化段改進模型;統(tǒng)計了殘余變形與循環(huán)次數(shù)和應變幅值的關

4、系，并提出了累積相變應變的概念;基于殘余變形和累積相變應變的統(tǒng)計關系，提出了考慮殘余應變的SMA桿本構模型;而試驗結(jié)果和模擬結(jié)果較高的吻合程度，驗證了模型的有效性。利用OpenSees軟件二次開發(fā)平臺，實現(xiàn)了SMA本構模型在OpenSees材料庫中的添加。
　　(3)基于SMA桿和NAO摩擦耗能器的試驗性能研究，提出了NAO-SMA-SC節(jié)點的構造系統(tǒng)，包括自復位梁柱節(jié)點與NAO摩擦耗能器，并系統(tǒng)分析了其工作原理和力學行為，分析表

5、明NAO-SMA-SC節(jié)點充分利用SMA桿的超彈性特性和NAO摩擦耗能器的耗能穩(wěn)定特征，實現(xiàn)了摩擦耗能型自復位結(jié)構體系;同時，節(jié)點構造克服了梁柱節(jié)點處樓板布置不便的困難，也加強了震后構件的可更換性。利用OpenSees軟件建立NAO-SMA-SC節(jié)點簡化模型，詳細描述了節(jié)點轉(zhuǎn)動過程中各構件的力學行為，有效驗證了其節(jié)點構造的合理性和簡化模型的有效性。
　　(4)基于OpenSees的NAO-SMA-SC節(jié)點簡化模型，詳細分析了NAO

6、摩擦耗能器提供的摩擦力Ff、SMA桿直徑DSMA和SMA桿初始預應變PSMA對節(jié)點滯回性能的影響，結(jié)果表明:增大Ff能明顯提高節(jié)點抗彎能力和耗能能力，但同時會增大節(jié)點殘余變形;增大DSMA能顯著增強節(jié)點抗彎能力和自復位性能;對SMA桿施加預應變PSMA能有效降低節(jié)點的殘余變形?？傮w而言，節(jié)點耗能能力的提高，是以增大節(jié)點殘余變形為代價。
　　(5)針對NAO-SMA-SC節(jié)點特征，設計三層NAO-SMA-SC框架算例;建立基于Ope

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