4.1 Mises应力
由于预应力钢绞线有初始预拉力,梁在加载
图4 加载制度曲线
Fig.4 Loading system curve
前就处于受压状态,最大应力位于一层梁上层翼缘。随着加载过程的进行,最大应力位置逐渐转移到柱底翼缘处。层间位移角为2%时,框架S-1最大应力位于左柱柱底翼缘,数值达351.9 MPa。框架S-2最大应力位于右柱柱底翼缘,数值达477.8 MPa。框架S-3最大应力位于中柱柱底翼缘,数值达523.1 MPa(
图5)。
4.2 塑性应变
自复位框架塑性只在柱底与一层梁出现,自复位梁出现塑性主要是由加载部位处局部受力过大导致,柱子塑性主要是加载后期层间位移角过大导致。塑性应变的发展过程与Mises应力发展过程基本一致,S-1、S-2塑性最早出现于层间位移角1%的加载循环,层间位移角为1%时,等效塑性应变分别1.794E-3和2.077E-4。加载至层间位移角2%时,最大等效塑性应变PEEQ分别增至2.71E-2和1.575E-2。塑性S-3最早出现于层间位移角为1.5%的加载循环,层间位移角为1.5%时,等效塑性应变为3.173E-3。加载至层间位移角为2%时,最大等效塑性应变PEEQ为1.533E-2,如图6所示。由此可见,随着钢材强度等级的提高,自复位钢框架柱底等效塑性应变减小的趋势明显。提高钢材强度虽不能完全消除塑性,但延缓了塑性最早出现的时间,使自复位钢框架具备更大的弹性侧移能力。
4.3 残余变形
表2为三榀框架的残余侧移角,表中层间侧移角为正号表示框架往左侧偏移,负号表示框架往右侧偏移。从表中可以看出,三榀框架的残余侧移角均很小,最大残余侧移角仅为框架S-1底
图5 框架最大Mises应力云图
Fig.5 The maximum Mises stress nephogram of frame
表2 残余侧移角(%)
Tab.2 Residual drift(%)
层的0.22%,表示自复位钢框架有很好的自复位性能,残余侧移角小。其中S-1残余侧移角主要集中在底层,二至四层残余侧移角甚至小于其他两榀更高强度钢框架相应层数的残余侧移角,其主要原因为S-1钢材强度低,底层塑性发展严重,变形主要集中在底层。同时,钢材强度等级提高至S-2,最大残余侧移角明显减小,但S-3与S-2相比并无明显变化,这说明钢材强度提高到一定程度能提升自复位钢框架的自复位能力,再继续提高效果不明显。
4.4 基底剪力与层间侧移角的关系曲线
三榀框架基底剪力与层间侧移角的关系曲线
如图6所示。S-1最大基底剪力为1 367.1 kN,S-2 和S-3分别增至1 732.6 kN、1 862.27 kN。由图7a可以看出S-1的基底剪力与层间侧移明显比S-2和S-3饱满,这由于S-1柱底塑性发展较S-2和S-3严重。S-1与S-2塑性发展主要出现在层间侧移角为1.5%和2%时的加载循环,S-3则主要出现在层间侧移角为2%时的加载循环,这同样说明钢材强度提高延缓了柱底塑性的发展。
4.5 摩擦耗能
框架梁柱节点通过槽钢处摩擦来消耗能量。整个加载中,三榀框架S-1,S-2和S-3总的输入能量分别为1.73×105 J,1.46×105 J和1.45×
图6 框架最终等效塑性应变PEEQ云图
Fig.6 The final equivalent plastic strain PEEQ nephogram of frame
图7 框架基底剪力曲线
Fig.7 Base shear curve of frame
10
5 J。摩擦消耗的能量分别为7.9×10
4 J,8.3×10
4 J和8.57×10
4 J。整个加载过程累积的耗能比例详见
表3。
表3 摩擦耗能比例(%)
Tab.3 Friction energy dissipation ratio
随着钢材强度等级的提高,整个加载过程三榀框架消耗的总能量降低,摩擦耗能增大,累积摩擦耗能比例增大趋势明显。
图8为框架每个加载循环摩擦耗能占该圈总能量的比例曲线。由图可知,三榀框架单循环最大摩擦耗能比均位于位移角为1%加载循环。位移角
图8 框架各加载循环摩擦耗能比例曲线
Fig.8 Each loading cycle friction energy dissipation ratio curve of frame
1%时,S-1、S-2和S-3框架摩擦耗能比分别高达92.84%、94.68%和94.75%。S-1和S-2在位移角1.5%加载循环下降明显,S-3则在位移角为2%加载循环下降明显,这与塑性发展趋势相符。
4.6 钢绞线预应力
梁柱截面张开时,预应力钢绞线伸长,索力值增大,梁柱截面闭合后,预应力索基本恢复到原来的长度和索力值(潘振华等,2011; Garlock et al.,2005)。由于篇幅有限,笔者仅列出三榀框架第三层预应力钢绞线拉力与层间位移的关系,如图9所示,详细数据列于表4中,表中Tmax为最大预应力钢绞线拉力,ΔT为预应力损失,Tu为钢绞线极限抗拉强度(Ricles et al.,2010)。钢绞线在S-3一层最大索力为0.35 Tu,远远小于钢绞线的极限索力,同时可以看出,钢材强度对预应
图9 框架第三层预应力钢绞线拉力
Fig.9 PT tension of the third level of frame
力钢绞线的受力影响不大。
从表4可知,钢绞线最大预应力值为186.78 kN,远小于钢绞线的屈服荷载530.1 kN,同时预应力钢绞线的力值损失较小,随着强度提高,损失值略有下降。最大损失为S-1的一层钢绞线,数值为1.85 kN。
表4 预应力钢绞线力值
Tab.4 PT tension force value
4.7 框架节点性能
当三榀框架层间侧移角达到一定数值、节点弯矩达到临界开口弯矩时,梁柱截面脱开,开始出现内转角,框架恢复到初始位置后,内转角也随之减小为零,梁柱截面重新闭合(Lin et al.,2013)。由于篇幅有限,笔者仅讨论框架4号节点的转动能力,其它节点的规律类似。4号节点详细数据详见表5,Qs,max为最大层间侧移角,Qr,max为最大相对转角,Crs,max由Qr,max/Qs,max计算得出(Ricles,2010; Lin et al.,2013)。由表中数据可知,四层框架内转角均小于层间位移角,底层和四层略大于二三层,数据均大于0.7,表明自复位钢框架节点有较好的转动能力。横向比较三榀框架同层节点的内转角数值,发现提高钢材强度等级,主体构件塑性变形减小,导致框架内转角略有增大。
图 10中三榀框架的三层4号节点的弯矩—转角曲线除转角大小稍有差异外,其它基本一致,这表明钢材强度对节点的弯矩—转角曲线影响不明显。
表5 框架4号节点转角
Tab.5 The 4th joint rotation
图 10 三榀框架3层4号节点弯矩—转角曲线
Fig.10 Moment-rotation curve of 4th joint of 3 level of three frame
对典型框架S-2的4号节点弯矩转角关系进行分析(
图 11),发现节点临界开口弯矩沿层数逐层减小。摩擦耗能面积由于螺栓数不同和节点相对转角大小差异而略有不同。
图 11 典型框架S-2的4号节点弯矩转角关系曲线
Fig.11 Moment-rotation curves of 4th joint of typical S-2 frame
