钢框架中自复位耗能跨的滞回性能及抗震机理研究

Recognizing the demand and tendency of enhancing the seismic resilience of steel building structures, this project proposes the concept of self-centering energy dissipation bay equipped with connections incorporating super-elastic shape memory alloy (SMA) bolts, and the seismic performance and resilience of a steel frame will be enhanced by installing the self-centering energy dissipation bays, which will carry service load and dissipate energy under seismic actions. Based on combination of experimental works, numerical analyses and theoretical derivation, the fundamental issues of the self-centering energy dissipation bays including the energy dissipation mechanism, the damage-evolution mechanism, the failure mode, the mechanical models, the optimized structural parameters and repair strategies for rapid recovery will be carefully investigated. Effective strategies will be developed to ensure the energy dissipation capacity and self-centering behavior of the self-centering energy dissipation bays. After revelation of the nonlinear behavior of the self-centering energy dissipation bay, the fundamental issues for its application in steel frames will be explored. The effect of structural parameters on damage evolution mode of steel frames with the self-centering energy dissipation bays will be investigated by parametric study and spectral analyses of single-degree-of-freedom systems, and seismic design criteria will be established following the motive of “damage-control”. The research findings and outputs of this project will contribute to enhancing seismic resilience of conventional steel frames, offering a potential candidate for seismic resistant structures.

本项目着眼于建筑钢结构对于增强抗震可恢复性的要求和发展趋势，通过将超弹性的形状记忆合金（SMA）螺栓节点引入耗能跨而提出自复位耗能跨的概念，其配置于钢框架体系可改善结构抗震性能和抗震可恢复性。自复位耗能跨同时具有承担使用荷载功能和在地震作用下的耗能功能。采用试验研究、数值分析、理论分析相结合的方法研究自复位耗能跨的耗能机制、损伤机制、破坏模式、力学模型、具有优化性能的构造和要素参数及实现快速修复的对策，提出有效策略使其兼具稳定的耗能能力和自复位特征。在揭示自复位耗能跨抗震机理的基础之上，将自复位耗能跨配置于钢框架系统中，并对结构抗震设计中的基本问题进行深入研究，通过结构的参数分析和单自由度的谱分析，研究自复位耗能跨配置于钢框架系统中时要素配置对结构损伤发展规律的影响，并建立以损伤控制为目标的抗震设计原则。研究成果将有助于增强普通钢框架体系的可恢复能力，并丰富抗震体系。

传统的钢框架结构在地震作用下产生了显著的非线性变形，震后的残余变形将造成高昂的修复或拆除重建代价。本项目聚焦于钢框架结构的震后可恢复功能，提出了布置于钢框架中的“自复位耗能跨”构想,将其配置于钢框架体系中可改善结构抗震性能和可恢复性。.提出了装配屈曲约束SMA螺栓的新型节点，并在已有的试验数据基础上建立了可用于结构计算的有限元数值模型，深入分析了新型结构体系在地震作用下的响应，论证了结构在预期变形范围内优良的自复位能力，并基于修正能量平衡原理提出了一种多模态非线性静力计算方法，为工程技术人员进行损伤控制性能评估和地震需求估计提供了一种实用工具；在“配置SMA螺栓梁柱节点的自复位耗能跨”的大比例尺拟静力滞回试验基础之上，通过大样本地震记录下的非线性反应谱分析验证了“耗能时序”对于突破结构自复位能力和耗能能力矛盾的有效性，并进一步提出了“部分自复位耗能跨”的构想，并在试验研究的基础之上构建了结构体系的恢复力模型，提出了可用于结构体系非线性反应谱模型及基于该模型的结构非线性地震反应评估方法；以大比例尺的拟静力试验论证了高强钢构件对于实现耗能跨自复位的直接贡献，并在试验结果上建立了结构在不同损伤阶段的滞回模型，在大样本地震记录下采用单自由度体系工具对结构的残余变形响应进行了分析，论证了结构在动力作用下的“回摆特征”和“耗能时序”对于实现自复位的有利影响，提出了可评定结构震后残余变形的预测模型，建立了结构体系的损伤控制设计方法。.研究成果对于提高普通钢框架体系的抗震可恢复性、丰富抗震结构体系、促进我国钢结构抗震技术的发展以及减少震后经济损失，具有重要理论意义与工程应用前景。