摩擦耗能装置加固带裂缝胶合木螺栓节点抗震性能研究

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近年来,为实现低碳、绿色建筑的要求,木结构的应用受到广泛关注。现代木结构中梁柱式结构为常见的结构体系,而在这种梁柱式结构中,钢填板-螺栓连接方式往往是第一选择。但大量研究发现,钢填板-螺栓连接节点因加工精度问题容易产生较低的刚度,且由于木材具有吸湿性能,对外界环境比较敏感,当温度、湿度等发生改变时,容易产生裂缝,裂缝的出现会影响节点的力学性能。而我国又处于地震频发的地带,裂缝的存在同样也会对节点以及整体框架的抗震性能产生影响。本文通过试验研究、有限元模拟等方法,按照从局部节点到整体框架的思路,对带裂缝节点的抗震性能和胶合木梁柱式框架的抗侧力性能进行了分析,并对带裂缝节点基于摩擦耗能原理进行加固设计,研究了摩擦耗能装置加固带裂缝节点的抗震性能和使用该装置加固胶合木梁柱式框架的抗震性能。为实际工程设计中考虑裂缝影响因素和抗震性能提供参考依据和设计方案。主要研究内容和结论如下:(1)对具有不同初始裂缝数目、裂缝位置的胶合木螺栓连接节点进行单调以及低周往复加载试验,研究裂缝对节点抗震性能的影响。研究结果表明:随着节点初始裂缝数目的增加,节点的初始刚度、承载力以及延性能力会逐渐降低,试验节点中初始刚度、最大弯矩以及延性系数最大分别下降了25%、14%、30%;当裂缝数目相同时,初始裂缝位置的改变对节点也会有一定的影响,受拉侧螺栓列处有无初始裂缝对节点的刚度影响较大,且仅受拉侧螺栓列处存在裂缝时节点的耗能能力会比受拉侧和受压侧同时存在裂缝的节点差;另外,节点的破坏模式因初始裂缝的存在会由原本的延性破坏转变为不理想的脆性破坏,不能满足实际工程中结构抗震设计要求。(2)提出了一种摩擦耗能型加固节点,对设置有不同高强螺栓预紧力的摩擦耗能装置加固的带裂缝节点进行了低周往复加载试验,研究加固节点的抗震性能。研究结果表明:加固节点大大提升了节点的各项力学性能,其初始刚度和延性系数分别是未加固节点的2.44、2.3倍,最大弯矩比未加固节点增加了79%;并且胶合木节点区木材没有出现初始裂缝扩张情况,说明摩擦耗能装置能有效抑制节点区木材开裂,充分发挥螺栓的延性性能,能在一定程度上改善胶合木节点的破坏模式。同时,通过对比具有不同高强螺栓预紧力的加固节点,可以发现,在一定范围内,施加的预紧力越大,节点的初始刚度、承载力更高,延性性能、耗能能力更好。(3)为了研究带裂缝节点对胶合木梁柱式框架抗侧力性能的影响,参考设计了单层单跨框架和两层两跨框架,对比分析了裂缝对不同层跨数框架的影响以及裂缝出现在框架不同节点位置处对框架性能的影响。分析表明:节点裂缝的存在会降低框架的抗侧刚度和承载力,仅柱脚节点处存在裂缝时,抗侧刚度单层单跨框架下降了10.9%、两层两跨框架下降了5.5%,承载力单层单跨框架下降了16.9%、两层两跨框架下降了6%,这说明随着框架层跨数的增加,裂缝对框架抗侧刚度和承载力的削弱影响会降低;而裂缝出现在不同节点位置处对框架的性能有不同影响,仅柱脚节点处有裂缝时对框架性能的削弱影响要大于仅梁柱节点处有裂缝的情况,当柱脚节点处和梁柱节点处均存在裂缝时对框架性能的削弱影响最大。(4)为了研究摩擦耗能装置加固带裂缝节点对胶合木框架抗震性能影响,对单层单跨框架采用摩擦耗能装置进行加固设计,对比分析未加固框架与加固框架的抗震性能以及摩擦耗能装置施加不同预紧力对框架抗震性能的影响。分析表明:加固框架的弹性刚度和最大承载力比带相同裂缝的为加固框架最大分别提高了91%、36%,加固框架的刚度和耗能能力也有明显提升,并且预紧力值越大,加固框架的刚度越大、耗能能力越好;加固框架在初始阶段没有初始滑移现象,其破坏模式也有所改善,由原本的承载力突然下降发生破坏变为有一定屈服阶段的延性破坏。这说明采用摩擦耗能装置加固带裂缝框架能有效提升框架的刚度、承载能力以及耗能能力,同时也能优化结构的破坏模式,提高安全性能。
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