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工程结构
——配置有Z形约束支架的钢筋混凝土框架的地震响应
关键词：
屈曲约束支撑、钢筋混凝土框架、节点连接、混凝土牛腿、后张法预应力锚杆、更高的振动、非线性动力分析、拉压杆模型。
摘要：
在以前的钢筋混凝土框架研究中提出了一种新的屈曲约束支撑框架系统，其具有弯曲限制支架的Z形结构，以缓解钢 - 混凝土连接。 进行实验测试以建立拟议系统中支架连接的现实数值模型。 利用这些数值模型，对原型建筑进行了非线性动力学分析，研究了新型支撑框架系统的抗震性能。 结果表明，即使考虑到支架连接的非线性，新系统中的屈曲约束支架也有效降低了建筑物的响应。
此外，支架连接的强度要求在大括号产量之后受到系统的更高模式的显着影响。
- 介绍
钢框架结构的抗震性能和设计是关键。除了在AISC 360 [1]等设计规范中得到很好的解决之外，角撑板经常受到“框架动作”的影响，这可能相当复杂[2,3]，并可能导致过早断裂焊接或屈曲的角撑板，从而损害系统的抗震性能[4]。在例行设计目的的结构建模中包括这种复杂的角撑板连接行为是不切实际的。相反，通常假设支架通过在结构分析中使用桁架元件来引脚连接到框架，例如由[5,6]进行的。
在钢筋混凝土（RC）框架中实施钢支架时，角撑板连接中的框架动作仍然是一个问题。除了其对角撑板的不利影响外，RC框架还可能导致相当大的RC强度[7]，有时也会导致相邻混凝土柱的剪切破坏[8]。为了更加恶化，常规配置中的钢支架在角撑板连接上施加较大的集中拉力。将这个力量转移到混凝土构件是不容易的，因为混凝土的张力很弱。虽然进行了基本的测试来研究钢格架对混凝土连接的性能[9,10]，但是已经提出了除了常规的角连接件之外的新的解决方案，例如将角撑板固定在RC梁的侧面通过后张钢棒[11-14]，以及通过不受显着拉伸力剪切键板锚定角撑板的作用[15,16]。另一个例子是RC梁顶面的“无约束的角撑板连接”[17]，这是钢框架相似想法的延伸[18]。在具有BRB的强化非延性RC框架的测试样本中，也应用了BRB到桩帽连接的类似连接细节[19]。
利用屈曲约束支架（BRB）在拉伸和压缩中发展完全塑性强度的能力[20]，提出了以前研究中的RC结构的锯齿形屈曲约束支撑框架系统（简称“连续屈曲约束支撑”框架“[21,22]）。如图1所示。如图1（a）所示，所提出的系统中的BRB以Z字形布局布置，并且相邻故事中的BRB共享相同的角撑板，使得它们沿着结构的高度连续运行。共享的角撑板不是安装在梁和柱的角部，而是连接到梁柱接头的侧面，从而避免了常规角撑角连接中的“框架动作”，从而更容易确定连接的容量需求。这可以通过消除支撑跨度中的梁而实现，如果支撑跨度被认为是平面悬臂式桁架，则它们是基本上为零的力构件，如图1中的简单示例所示。 2.在桁架类比中，垂直零力网构件的移除对其他构件的力没有影响，并使桁架成为“沃伦桁架”，它早已被接受为桥梁的有效结构系统。如同建议的系统一样，垂直竖立时建筑结构的横向系统也同样有效。
虽然在支撑跨度中的梁移除会降低RC力矩框架的横向刚度和强度，但是这种减小被认为是微不足道的，因为整个建筑物中的支撑跨度数量相对较小，并且最大的横向阻力来自支架而不是力矩框架。必要时可以通过使用较大的BRB来轻松补偿。
虽然其他连接细节也可能可用，但是建议通过将梁柱接头中嵌入的拉伸螺栓以及从角撑板的顶端和底端上的柱突出的RC对角线来固定角撑板，图1（b））。连接的水平（即嵌入式螺栓）和垂直（即RC角）的电阻基本上彼此独立，因此螺栓和榫头都处于相对简单的负载条件下。因此，他们的行为变得更容易预测和控制。如果共享相同角撑板的两个BRB同时产生相反方向（即，一个在张力和一个在压缩中），则两个BRB的力量的水平分量可以相互抵触并因此施加对连接的水平电阻的需求非常小。换句话说，存在建议系统中的连接不需要针对显着的拉力设计的可能性。
在以前的研究，循环载荷试验是在曲折BRBF系统的组件，以验证撑连接，并评估毗邻RC元件及中的BRB [21,22]的性能进行。 在本研究中，重点是连接作为整个系统的一部分。 进行单调载荷试验，以更好地了解连接部件的载荷 - 位移特性和极限载荷，基于此，建立了合理捕获连接非线性行为的简单数值模型。 将数值模型整合到用于非线性动力学分析的原型曲折BRBF建筑的非线性有限元模型中，以阐明BRB连接对建筑物地震响应的影响。
2.合适连接的实验测试
如以前的研究[22]所证实的，BRBs传递的角撑板上的水平和垂直力在所提出的连接中几乎独立地被螺栓和榫头抵抗，如图1所示。图1（b）。这使得可以通过RC抗拉筋的单独剪切试验和后拉伸螺栓的拉伸试验来评估连接性能。在以前的实验程序中，四个测试样本的Zigbag BRBF子组件，由[21]详细记录，被重新用于此目的。样品为T形，每个都由半跨RC梁构成RC柱，在接头上方和下方延伸半层高度，带有嵌入式螺栓和一对RC铰链锚固的角撑板。本试验不需要梁，并在试验前切断。试样的圆柱混凝土抗压强度为58MPa，分裂拉伸强度为3.5MPa，弹性模量为33,000MPa。
2.1钢筋混凝土
调查中的RC corbel如图1所示。 3，其具有非常小的剪切跨度 - 深度比（通常低于0.5）。箍筋沿着深度均匀分布，锚固在柱内。测试了上述四个标本中的两个上的四个RC角，因为它们在以前的测试中基本上未被损坏。所有四个角砾具有相同的尺寸，如表1所示。剪切跨度与深度比L / H为0.175。 / 10马镫的屈服强度为346 MPa /材料试验。共有20条镫骨（以下称为C1a和C1b），两根镫骨加固，两根镫骨加固了一半镫骨（以下称为C2a和C2b）。所得到的横向加固比，即所有箍筋横截面面积与对角线（B？H）的横截面积之比为C1a和C1b为0.98％，C2a和C2b为0.49％。
自平衡加载系统如图1所示。 4用于使从柱上突出的单个凸耳经受纯剪切。装载夹具与四根高强度钢棒连接，另一端与宽法兰钢反应梁连接。液压千斤顶通过刚性钢连接器安装在反作用梁之间，反作用力杆位于辊衬垫和RC柱的端部之间。在装载过程中，千斤顶将反作用杆推离试样，从而拉动装载夹具，以将剪切力施加在RC凸缘上。施加单调载荷直到RC cor骨被压碎。两个LVDT安装在柱的两侧以监测装载夹具相对于底部柱的位移。随着支柱中的剪切力增加，从装载夹具的脚趾开始产生微小的裂纹，并在突然被压碎之前对角地展开成榫眼。图。图5描绘了样品的裂纹和极限破坏面。图5描述了试样的裂纹和最终破坏面。在两组牛腿失效模式无明显差异，虽然他们的强度是完全不同的。
图1中的简单滞后模型。假设剪切中的RC角6（a），其中骨架曲线（由式（1）描述））类似于压缩中混凝土广泛使用的抛物线应变 - 应力关系。鉴于在试验中观察到的脆性破坏，假设一旦剪切力达到剪切强度Vu，cor骨就会失效。在失效之前，可以在达到零力之前通过初始刚度Kc0卸载（参见图6（a））。在重新加载过程中，阻力不能恢复，直到先前的加载循环中的残余变形被超过。其中V和d分别是剪切力和屈曲变形; Vu是对称的剪切强度; d0 = 2Vu / Kc0是剪切强度下的变形; Kc0是对角的初始刚度。
如果只知道剪切强度Vu和初始刚度Kc0，理想化的滞后模型就可以被完全定义。采用并修改了[23]也使用的支撑和绑带模型，以预测本应用中深cor的剪切强度Vu。这个模型导致方程式（2）计算剪切强度。支柱和领带模型的全部细节以及方程式中的参数如何。（2）被评估参考[24]。
Vu =sigma;dBlcostheta;（2）
其中sigma;d是混凝土的软化抗压强度; B是对角的宽度; l和theta;分别是混凝土支柱的深度和倾角。
对于初始刚度，Kc0 = 0.1EcB给出了本试验中对深cor的实际良好估计，其中Ec是混凝土的弹性模量，B是孔的宽度。 这是根据四个试样在40％极限剪切强度下的平均正割刚度的经验估计。 使用Vu和Kc0，可以获得极限变形d0。 图。 图6（b）比较了通过其各自计算出的Vu和d0归一化的测试中四个角晶体的力 - 变形关系与理想骨架曲线。 对于四个样品，测试与计算的剪切强度之比在1.0和1.2之间。
2.2混凝土后张紧螺栓
通过自平衡加载系统将四个样本上的角撑板单调拉出，如图1所示。每个角撑板由四个未粘合的螺栓锚定
埋在RC柱梁梁下方的接头处，后张紧。用于拉伸试验的四个试样称为T1-T4。 / 16锚定螺栓和SNR490B钢（325MPa标称屈服强度）嵌入在样品T1-T3中，而/ 13高强度螺栓（标称屈服强度为1080MPa）嵌入样品T4中。同一样品中的四个螺栓被拉伸至相同的拉伸力。表2给出了每个试样的总后拉力，以及螺栓的埋入长度LE和锚板的半径r（见图9（a））。对于T4中的高强度螺栓，使用方形锚板代替圆形
板块与其他标本一样。为了简单起见，使用面积等效半径r =2bradic;pi;，其中b=50mm是方形锚板的侧面长度。
在每个螺栓的基板和螺母之间安装专门设计的微型称重传感器，以监测螺栓Tb中的轴向力。作用在角撑板上的总力T从两侧的两个液压千斤顶获得。每个样品使用三个LVDT来监测基板和RC柱之间的相对垂直位移。张力 - 位移关系和T与Tb关系如图1所示。 8.样品T1-T3与预期相似，而样品T4由于其较高的后张力而显示较高的初始刚度并且在显着的刚度退化下持续较大的力。
观察到的后张紧螺栓在混凝土中的行为可以用简单的物理模型来表示，如图1所示。如图9（a）所示，其中假定的刚性基板被后张紧螺栓压靠在混凝土表面上。在该模型中，锚固系统可以被认为是两个独立弹簧的组合，即分别是刚度Kb和Kc的螺栓和混凝土弹簧。假设混凝土保持弹性，并且螺栓是弹性完全塑性的，当将基板拉离混凝土时的力 - 位移关系可以通过三线性骨架曲线来理想化，如图1所示。图9（b）。参数的详细推导可以在附录A中找到。值得注意的是，一旦螺栓产生不能被压缩，就会有永久的残余变形。
在张力足够大以使基板与混凝土分离（即界面上的零应力）之后，总力T =（Tb-Tp）（1 Kc / Kb），其中Tb是螺栓力， Tp是螺栓中的初始后张力。刚度比Kc / Kb可以通过这个方程从分离前的试验结果中得到，反过来可以用来校正上述模型中唯一的未知参数theta;。在所有四个试样的试验中，theta;= 15°都能得到令人满意的结果，以符合T-Tb的关系（图8（b））。注意，该角度是通过拟合非常有限的测试数据而获得的，而不知道它对包括混凝土，基板和螺栓的锚固系统的几何和材料性质的依赖性。所得到的骨架曲线叠加在图1的测试结果上。图8（a）。模型的更高的刚度，特别是在分离之后，被认为是混凝土不弹性并且角撑板是刚性的假设的结果。此外，模型的屈服强度低于试验中的屈服强度，因为材料超强度没有被考虑在内。
3.原型建筑和数值模型
一个12层的RC框架，具有曲折配置的曲折约束支架，如图所示。 1作为原型来研究支架连接行为的影响。建筑物的几何特性如图所示。中部海湾与其余结构物分离，并以ABAQUS 6.8 [25]作为平面结构进行了分析。 RC框架设计的基础剪切比为0.3，符合日本的建筑结构抗震规定[26,27]。 RC框架的故事重量和横截面属性列于表3中。重量几乎均匀分布，平面框架的总重量为26,509 kN。由于重力引起的内外柱底部的轴向力分别为8380 kN和5124 kN，轴向强度分别约为19.3％和11.8％。梁由T型梁元件建模，顶部法兰表示现浇地板的贡献。 RC梁柱接头采用刚性区域。根据AIJ混凝土结构设计标准确定等效梁法兰和刚性区域的宽度[28]。
尽管在中间跨度处的梁被消除以使其到达BRB角撑板连接，弹性弹簧被添加到被移除的梁的位置中，以表示地板的轴向刚度和来自分析平面的任何次梁。 RC梁和柱由具有用户定义的混凝土和增强纤维单轴滞后的纤维束元件建模[29]。这些成员的剪切失败不是模型。 BRB由具有弹性完全塑性滞后的桁架元件建模，其考虑到两端的弹性段的过度强度和增加的刚度。为了不对柱施加太大的附加轴向力，假设所有六个BRB的预期强度（包括过强度）在2100kN相同。虽然更复杂的BRB强度分布是可能的，但是对于目前的BRB数量较少的案例研究来说，它们被认为是不必要的。更重要的是，相同的BRB将帮助澄清角撑板连接上的载荷来源。由于同样的原因，BRB的抗拉强度和抗压强度之间的区别不是建模的。使用质量比例阻尼模型，并且对于第一模式例如[30]分配2％阻尼比。
选择表4中列出的三个地面运动记录进行分析，其中D是Joyner-Boore距离，TS是有效持续时间。所有记录通过峰值地面速度（PGV）至PGV = 50厘米/秒进行归一化，这是日本公认的强度水平，用于通过时间历史分析评估高层建筑物或配有阻尼器的建筑物的抗震性能。从图1的响应谱可以看出， 10，Takatori和JMA Kobe记录表示具有显着的中期或长期成分的近断层地面运动，而MYG012-EW记录包含显着的短期成分。
4. BRB连接非线性的影响
利用分离剪切和拉伸阻力的锯齿形配置，支架连接可以由用户定义的无量纲双轴向弹簧元件建模。该元件简单地是两个正交单轴弹簧的组合，一个用于角撑板上方和下方的榫头，另一个用于后张紧螺栓（图11）。元件的节点1属于柱梁刚性接头;节点2由表示BRB的桁架元件共享。两个节点共享相同的坐标。表示板坯和次梁的轴向刚度的上述附加弹性弹簧元件连接到节点1，使得它对支架连接的强度或刚度没有贡献。两个弹簧的滞回模型已经在图1和图2中描述。图6（a）和9（b）。
可以在螺栓连接中发展的上限水平力是BRB的强度的水平分量之和，原型建筑大约为3187 kN。虽然连接应该只保持边际拉力，但这个上限力被认为是对后张紧螺栓强度要求的保守估计。可以采用以下两个设计目标之一
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