基于SMA-高强螺栓混合系统的自复位钢与钢-砼组合节点研究

As the significant development of structural seismic-resisting theories over the previous century, structural engineers have been gaining increasing confidence on seismic design of structures. However, people are no longer willing to compromise their properties with unavoidable post-earthquake damages. As repairing and rehabilitation work are time consuming and costly, there is a general tendency that, beyond the basic safety requirement that is nowadays widely accepted, new design concepts incorporating the idea of functional and customized buildings should be pursued. This study proposes innovative SMA-HS hybrid beam-to-column connections equipped with various SMA-based key components, including SMA bolts, SMA Belleville washers, SMA ring spring, and SMA fibred concrete, in order to exhibit recentring and energy dissipation abilities. Beyond the initial sole consideration of SMA bars/bolts in early studies, the potential of using those new forms of SMA devices is explored. Employing experimental, numerical, and analytical methods, major issues of such connections in the pre-earthquake, earthquake, and post-earthquake stages are thoroughly addressed. This study aims at developing a set of design recommendations on the design, pre-treatment, fabrication, retrofitting, and detailing of those connections, and importantly, the potential of commercial development of SMA-based seismic resisting products is also explored. This study also aims at stretching the scope of the design concept for steel and composite structures, thus facilitating the research of new-generation functional buildings in our country.

随着抗震理论的长足进步，人们不再甘愿耗费大量的时间与经济成本进行震后修复与重建工作，结构抗震正在经历从仅仅满足安全的基本要求逐步向功能化客户自定义化的现代设计理念转型，其中以减少结构震后残余变形为目标的自复位设计是抗震理念上的重要突破。本研究将多种创新形状记忆合金（SMA）关键功能构件引入梁柱节点，突破初期概念研究对SMA棒材的依赖，拓展碟簧、环簧、纤维混凝土等新型SMA构件形式，提出了以结构震时能量自耗散、震后变形自愈合为主要设计理念的实用自复位SMA-高强螺栓混合梁柱节点。本课题以试验为主体手段，紧密结合详细数值模型与简化力学模型，重点针对初始设计、抗震响应与震后评估三大阶段的一系列关键问题进行深化研究，旨在发展该类节点的设计、预处理、装配、补强与构造的相关规程，打开探索SMA抗震功能产品开发的大门，促进钢与钢-砼组合结构领域设计思路的创新，推进我国新一代抗震功能建筑的研究向前发展。

结构在地震中的破坏不仅给人民生命财产带来巨大的损失，灾后结构的修复和重建工作也会带来巨大的经济负担。为了有效降低结构震后损伤，提高震后恢复韧性，本项目提出了两种突破传统思路的全新自复位形状记忆合金（SMA）-高强螺栓混合梁柱耗能节点方案，通过试验、数值模拟与理论分析等手段，对节点的概念设计，抗震响应，震后性能等方面进行了深化研究，主要研究内容和成果如下：1）在元件层面，揭示了SMA螺杆、SMA碟簧和SMA环簧在往复荷载作用下的滞回特性、形变特点与失效模式，掌握了SMA 关键元件的最优热处理方案，以性能优化为导向，研究了不同几何参数影响下关键SMA 元件的力学演变规律，完善了最优几何设计方案；同时探明了基于不同预设参数的骨架曲线与卸载路径，建立了SMA元件恢复力模型，并制定了关键SMA 构件的预紧力与预训练策略；2）在全面掌握基本SMA元件工作机理的基础上，研究了两大类SMA节点在往复荷载作用下的极限强度、失效模式、滞回耗能、自复位性能等关键抗震特性，量化了关键元件在自复位与耗能机理上的贡献以及各自所占的比例，同时研究了混凝土组合楼板对于整个节点力学性态的影响，重点观察了楼板在节点往复受力作用下的开裂与闭合模式，研究了钢筋的屈服与断裂时序对节点自复位能力的影响规律，并初步制定了降低混凝土裂缝的设计策略；3）研究了典型SMA节点的震后残余承载力储备，揭示了节点在主-余震序列下的刚度、强度、延性、耗能以及自复位能力的演化规律，分析了节点抵抗二次灾害的能力；4）最后建立了SMA 节点的简化分析模型与设计方法，利用整体节点弹簧组模型的基本概念对节点的关键力学特征进行了分析模拟，并成功引入框架模型进行了测试，从而对整体结构的抗震行为进行了评估。本项目成功探索了功能材料在结构工程中的应用，实现了自复位钢结构抗震设计理论的创新与突破，为整个自复位领域的前沿研究提供了更加开阔的思路。