加强式耗能节点钢框架的损伤退化滞回性能及破坏机理研究

Adopting the research method of experiment, numerical simulation and theoretical analysis, this subject will study the failure mechanism and damage degradation hysteretic performance of energy dissipation reinforced joints under low cyclic loading, and comprehensively evaluate the damage degradation capability both stiffness and strength of steel frame model with energy dissipation reinforced joints through building hysteretic curves of damage degradation restoring force for whole structure. Aiming at solving the generalization problem of damage degradation hysteretic performance in steel frame structure, on the basis of the test specimens, from which several finite element models are designed and derived, damage degradation hysteretic curves model using finite element method under ultimate bearing capacity will be established in the subject, and the elasto-plastic time-history of whole structure is to be analyzed as well. Furthermore, according to the fracture stress-strain parameters of joints in steel frame, the relationship between damage degradation and fracture indexes including the plastic equivalent strain index , rupture index and triaxiality ratio under each grade cyclic loading will be studied, so as to identify the index which can evaluate fracture possibilities of joint welds under low repeated and reversed loading. With remarkable innovation, what his subject involves is of great significance in improving the aseismic design theory as well as the method of steel frame, and extending the application scope of energy dissipation reinforced joints in practical engineering program.

基于试验、数值计算以及理论分析方法针对加强式耗能节点钢框架在低周反复荷载作用下的损伤退化滞回性能以及破坏机理进行深入研究。通过钢框架模型试验对加强式耗能节点钢框架模型结构的刚度损伤退化以及强度损伤退化能力进行评定，建立整体结构损伤退化恢复力滞回曲线模型。为解决钢框架结构损伤退化滞回性能的共性化问题，以试验试件为原形，设计并细化衍生成多个有限元数值计算模型，建立极限承载力作用下有限元数值计算钢框架模型试件的损伤退化滞回曲线模型，并对整体结构进行弹塑性时程分析。针对钢框架节点断裂特性的应力应变参数，建立每级循环荷载下等效塑性应变指数、开裂指数、三轴应力比等断裂性能指标和损伤退化性能之间的关系，确定在低周反复循环荷载作用下连接焊缝发生脆性断裂的评估指标。项目研究将为钢框架在地震荷载作用下提供更加合理的抗震设计理论和方法，促进延性耗能节点在建筑钢结构工程中的推广和应用，创新性显著。

本项目研究聚焦提高钢框架结构抵御强烈地震灾害能力，围绕新型延性耗能节点钢框架荷载-位移损伤退化滞回性能及破坏机理开展了项目研究工作，并完成了项目预期的研究内容和目标。从试验研究、数值模拟、理论分析三方面入手，研究了极限承载力状态下新型耗能节点钢框架结构的破坏机理以及塑性铰形成发展机制，建立了整体结构损伤退化恢复力滞回曲线模型，提出针对耗能节点钢框架整体结构抗震性能分析计算方法，提出针对大型钢框架试件利用电液伺服作动系统主控制器和从动控制器并联加载试验方法。创新点突出，取得的研究成果和人才培养成效显著。 进行了耗能节点空间钢框架荷载-位移损伤退化滞回性能试验研究，针对空间钢框架采用耗能节点的破坏形态、滞回曲线、刚度退化曲线、结构抗侧刚度等抗震机理进行了评估。试验中采用电液伺服作动系统，将主控制器和从动控制器并联加载，解决了试验过程中针对多层钢框架无法实现层间多点按比例水平同步加载技术问题。提出利用ANSYS结构软件建立三维空间钢框架有限元建模方法，考虑循环荷载作用下钢材包辛格效应，分析采用Von.Mises屈服准则，为避免加载点处出现应力集中现象，对2层加载端柱翼缘上的所有节点水平自由度进行Uz耦合，采用通用屈服弯矩法得到普通节点和腋板加强式节点两种钢框架的屈服位移，在此基础上对耗能节点空间钢框架的极限承载力、滞回性能、损伤退化性能、塑性铰分布等特性进行了全面分析。提出耗能节点空间钢框架弹塑性动力时程分析方法，利用ANSYS软件壳体单元建立空间计算模型，确定模型物理量相似常数并给出瞬态分析和模态分析方法，得到结构自振周期、频率、阻尼等动力特性。对其梁铰破坏机制、层间位移曲线、最大层间位移角、柱顶反应加速度曲线、柱底剪力时程曲线等抗震性能进行了评估。开展二阶效应（P-Δ效应）对结构抗震性能的影响研究，建立整体钢框架结构考虑P-Δ效应的3种轴压工况下计算模型，研究滞回性能、骨架曲线、退化曲线和耗能能力，证明P-Δ效应严重“劣化”钢框架承载力和变形能力，加速结构承载力和刚度退化，对结构抗震性能和塑性耗能均产生较大影响，在结构抗震试验及分析中应充分考虑其不利影响。研究成果实现了申请书的预期研究内容和目标，研究成果可为强震地区采用耗能节点钢框架结构的工程设计提供参考和试验依据，对于提高钢框架结构设计可靠性，减小和避免强烈地震作用下对建筑结构造成的破坏，具有重要推广和应用价值。