全鋼防屈曲支撐及其鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計(jì)方法.pdf

1、本文通過(guò)理論分析和有限元模擬，對(duì)全鋼防屈曲支撐的性能和構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行探討，提出了構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其方法并了解支撐的性能及合理構(gòu)造；對(duì)全鋼防屈曲支撐框架進(jìn)行了抗震性能分析，提出了該結(jié)構(gòu)體系基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)針對(duì)防屈曲支撐整體失穩(wěn)的破壞模式，對(duì)外套管所需強(qiáng)度進(jìn)行了推導(dǎo)，得到一字形內(nèi)芯和十字形內(nèi)芯防屈曲支撐外套管剛度的設(shè)計(jì)公式。針對(duì)防屈曲支撐局部失穩(wěn)的破壞模式，推導(dǎo)出內(nèi)芯對(duì)外套管的擠壓力以及

2、外套管承載力的表達(dá)式，從而得到了保證兩種支撐局部穩(wěn)定的外套管厚度計(jì)算公式。結(jié)果表明內(nèi)芯寬厚比、間寬比和支撐的厚度比是影響支撐局部穩(wěn)定性的重要因素，并給出支撐最優(yōu)間寬比取值。依照全鋼防屈曲支撐特點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)芯的局部穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)出一字形內(nèi)芯防屈曲支撐不會(huì)過(guò)早發(fā)生屈曲的內(nèi)芯寬厚比限值為8，在此基礎(chǔ)上建議十字形內(nèi)芯的寬厚比不大于5。考慮內(nèi)芯多波屈曲產(chǎn)生的變形得出支撐的疲勞壽命表達(dá)式，將理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后表明，理論公式可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)防

3、屈曲支撐的疲勞壽命，并指出寬厚比和間寬比是影響支撐疲勞性能的重要因素。
　　(2)應(yīng)用ABAQUS程序，綜合考慮多種非線性，計(jì)入內(nèi)芯與外套管的摩擦力建立一字形內(nèi)芯全鋼防屈曲支撐的有限元模型，分析了在單軸壓力作用下內(nèi)芯對(duì)外套管擠壓力的發(fā)展過(guò)程，以及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)內(nèi)芯與外套管接觸作用、外套管承載力及支撐宏觀性能的影響。分析表明，內(nèi)芯與外套管的接觸力隨著內(nèi)芯寬厚比、初始缺陷、間寬比的增大而增長(zhǎng)，外套管的承載力隨著約束比和厚度比的減小而減小，

4、從而引起宏觀上支撐承載力的降低；當(dāng)取最優(yōu)間寬比時(shí)摩擦力對(duì)承載力的變化影響很??；支撐臨界約束比受到內(nèi)芯初彎曲、寬厚比和間寬比的影響，經(jīng)回歸確定了臨界約束比的擬合公式，并結(jié)合理論結(jié)果總結(jié)了支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。
　　(3)以實(shí)際工程為依托，對(duì)十字形內(nèi)芯外套方鋼管的全鋼防屈曲支撐進(jìn)行支撐構(gòu)件及子系統(tǒng)足尺試驗(yàn)研究，以了解其性能及合理構(gòu)造并驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)性能要求進(jìn)行支撐的設(shè)計(jì)。繼而在MTS試驗(yàn)機(jī)上對(duì)第一根構(gòu)件進(jìn)行不含節(jié)點(diǎn)板的防屈曲支撐支

5、撐單軸拉壓試驗(yàn)，由于加工精度不足引起偏心，端頭出現(xiàn)彎曲。改進(jìn)設(shè)計(jì)后制作第二根構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，內(nèi)芯在與外套管點(diǎn)焊位置斷裂，表明內(nèi)芯屈服段除必要的板件之間的連接焊縫外，不應(yīng)出現(xiàn)額外焊縫連接接頭。采用在下端加勁肋處局部加厚方式限制外套管下滑，設(shè)計(jì)了第三根構(gòu)件并安裝到加載框架上進(jìn)行子系統(tǒng)足尺試驗(yàn)，順利完成加載制度，且支撐的滯回曲線飽滿穩(wěn)定，受壓強(qiáng)度提高系數(shù)及累積延性系數(shù)均滿足要求。試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的十字形內(nèi)芯全鋼防屈曲支撐具有良好的延性及耗能能力

6、，并且按本文提出的方法進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)可以達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)變且承載力不降低。
　　(4)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，表明此結(jié)構(gòu)在不同地震作用下均滿足規(guī)范要求且防屈曲支撐符合設(shè)計(jì)意圖，結(jié)構(gòu)在大震下殘余變形很小，特大震下結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)能量分析表明，對(duì)于同一強(qiáng)度地震動(dòng)，防屈曲支撐耗能與地震輸入能之比穩(wěn)定，頻譜特性和持時(shí)對(duì)比值影響較小，隨著地震強(qiáng)度的增加比值增加。與同等用鋼量的中心支撐框架結(jié)構(gòu)相比，防屈曲支撐框架在大震以及特大震作用下的損傷等級(jí)

7、下降一級(jí)，地震動(dòng)強(qiáng)度越大防屈曲支撐對(duì)層間位移角的控制效果越顯著。
　　(5)以梁柱剛接的防屈曲支撐框架為對(duì)象，提出基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法。以防屈曲支撐框架中鋼框架與防屈曲支撐在目標(biāo)位移下耗散的能量之和等于地震輸入能量為原則分配地震輸入能量，從而設(shè)計(jì)防屈曲支撐，其中的地震輸入能量以原鋼框架的地震輸入能量為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)入結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行調(diào)整后得到。根據(jù)時(shí)程分析結(jié)果，應(yīng)用本方法設(shè)計(jì)的防屈曲支撐框架層間位移角與給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)較為一致，設(shè)計(jì)的