防屈曲支撐內(nèi)芯屈曲機(jī)理及整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法.pdf

1、防屈曲支撐是一種利用軟鋼屈服來消耗地震能量的支撐構(gòu)件，其兼具普通支撐和金屬阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，小震下能夠給結(jié)構(gòu)提供附加剛度，大震下能實(shí)現(xiàn)全截面屈服消耗地震能量。防屈曲支撐的構(gòu)成比較簡單，主要由耗能內(nèi)芯以及約束內(nèi)芯屈曲的約束構(gòu)件兩部分組成。但是其屈曲機(jī)理卻較為復(fù)雜，因?yàn)榉狼蔚恼w與局部穩(wěn)定性不僅與支撐的剛度、強(qiáng)度、內(nèi)芯與約束構(gòu)件的初始缺陷密切相關(guān)，而且受到內(nèi)芯的彈塑性變形、內(nèi)芯加強(qiáng)段、間隙以及內(nèi)芯與約束構(gòu)件間摩擦力等的影響，因此防屈曲支撐

2、的分析與設(shè)計(jì)方法引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛興趣。
　　本文主要研究防屈曲支撐內(nèi)芯屈曲機(jī)理以及在此基礎(chǔ)上建立的支撐整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　（1）對(duì)組合鋼管混凝土式防屈曲支撐進(jìn)行了五個(gè)試件的試驗(yàn)，包括足尺截面短試件試驗(yàn)、足尺試件試驗(yàn)、防屈曲支撐組合件試驗(yàn)以及對(duì)其構(gòu)造形式改進(jìn)后進(jìn)行的波形驗(yàn)證試驗(yàn)。較為詳細(xì)地介紹了這種形式防屈曲支撐的加工過程，指出了生產(chǎn)過程中需要注意的問題，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了加工中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)所

3、提出的支撐形式進(jìn)行了改進(jìn)以使其應(yīng)用到波形驗(yàn)證試驗(yàn)中，在內(nèi)芯表面粘貼應(yīng)變片測(cè)量了內(nèi)芯在加載過程中的應(yīng)變變化。
　?。?）對(duì)防屈曲支撐的內(nèi)芯屈曲機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了簡化的防屈曲支撐分析模型，該模型假設(shè)約束構(gòu)件為剛體且無初始缺陷，內(nèi)芯為無初始缺陷的直桿。通過內(nèi)芯的平衡微分方程及其邊界條件，得到內(nèi)芯撓度曲線和內(nèi)芯與約束構(gòu)件間接觸力的表達(dá)式。通過對(duì)內(nèi)芯彎矩的分析發(fā)現(xiàn)了其一點(diǎn)接觸到兩點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化的規(guī)律，本文給出了其臨界力并進(jìn)一步揭示了其向更多

4、點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律。對(duì)多點(diǎn)接觸狀態(tài)給出了接觸點(diǎn)之間距離的表達(dá)式與最大接觸力的公式，并據(jù)此給出了約束構(gòu)件最大彎矩的計(jì)算公式，這是防屈曲支撐研究方面首次根據(jù)接觸力與波長直接計(jì)算得到約束構(gòu)件的最大彎矩。之后，給出了固結(jié)支撐的推導(dǎo)結(jié)果，并利用有限元軟件對(duì)本章所提鉸接及固結(jié)防屈曲支撐的波形變化過程與接觸力公式進(jìn)行了有限元驗(yàn)證。最后，利用有關(guān)學(xué)者對(duì)于壓桿屈服后模量的理論，將彈性分析的結(jié)果擴(kuò)展到塑性階段，使用有限元模型的分析比較了折合彈性模量和切線

5、模量的計(jì)算結(jié)果與模擬值的差別，給出了內(nèi)芯屈服后模量取值的建議。
　　（3）提出了一種考慮內(nèi)芯屈曲模態(tài)的防屈曲支撐整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法，將簡化的防屈曲支撐分析結(jié)果擴(kuò)展到更一般性的情況。分析中引入了約束構(gòu)件的剛度，因此考慮了約束構(gòu)件變形，同時(shí)考慮了內(nèi)芯加強(qiáng)段的影響。對(duì)內(nèi)芯與約束構(gòu)件同時(shí)列出平衡微分方程，并根據(jù)二者之間的變形協(xié)調(diào)條件得到一點(diǎn)與兩點(diǎn)接觸時(shí)內(nèi)芯的撓度曲線，并得到內(nèi)芯與約束構(gòu)件接觸力、約束構(gòu)件最大彎矩和加強(qiáng)段最大彎矩的表達(dá)式。對(duì)其

6、中使用的接觸點(diǎn)處內(nèi)芯切線斜率為零與彎矩為零的假設(shè)進(jìn)行了參數(shù)分析驗(yàn)證，之后利用多點(diǎn)接觸下約束構(gòu)件的受力特征，將兩點(diǎn)接觸的分析擴(kuò)展到更多點(diǎn)接觸的情況，從而得到了更一般性的結(jié)論。為了簡化計(jì)算過程，提出了計(jì)算最大接觸力、約束構(gòu)件和加強(qiáng)段最大彎矩的統(tǒng)一公式，并給出了約束構(gòu)件與加強(qiáng)段的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　?。?）建立了帶有端部的防屈曲支撐有限元模型，并在該模型中考慮約束構(gòu)件變形，對(duì)本文所推導(dǎo)的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。在有限元分析中，首先檢驗(yàn)了內(nèi)芯由一點(diǎn)接觸