摇摆桁架-BRB-钢框架体系地震失效模式与抗震性能分析

建筑结构抗震设计所希望的结构地震失效模式是完全梁铰式失效,由于各种不确定性的存在,在实际地震中,结构是否能发生完全梁铰式失效是无法预知的。而防屈曲支撑构件(BRB)延性较大,在地震作用下可稳定地耗散地震输入结构的能量。鉴于此该文提出了一种摇摆桁架-BRB-钢框架体系,采用静力推覆分析方法,识别出了结构的主要地震失效模式,对其失效路径以进行了分析;对传统钢框架结构、摇摆桁架-钢框架体系、摇摆桁架-BRB-钢框架体系在小震、中震、大震作用下进行时程分析,并基于峰值层间位移角评价了三种结构的抗震性能。结果表明摇摆桁架-BRB-钢框架体系,在结构耗能减震、失效模式的优化控制,降低结构的残余变形等方面均起到了重要作用,新结构的侧向变形较传统钢框架结构更加均匀,结构整体参与耗能的能力更强。     

摇摆桁架-钢框架结构的刚度比需求及地震响应分析

摇摆墙体系作为一种具有良好工程应用前景的新型结构形式被越来越多的工程人员所接受,但其自重大、易开裂、增大结构质量等问题一直困扰着广大科研人员。考虑到传统的摇摆墙体系的诸多不足,该文提出了摇摆桁架-钢框架体系,并对摇摆桁架的设计方法进行了探索与研究,给出了基于需求刚度比的设计建议。基于小、中、大震作用下的时程分析,对耗能构件的能量耗散以及累积位移延性进行了分析,研究了摇摆桁架-钢框架体系塑性铰形成过程以及结构的地震失效模式。结果表明,采用摇摆桁架-钢框架体系能显著改善、优化和控制钢框架结构的地震失效模式,提高结构的抗震性能。摇摆桁架体系作为-种新型摇摆结构,其功能可恢复性明显高于传统的抗震设计结构。     

框架-摇摆墙结构受力特点分析及其在抗震加固中的应用

摇摆结构是一种新型抗震结构体系。摇摆结构通过释放某些部位的约束,允许结构相应位置发生相对位移,从而改变构件的受力状态,改善结构的抗震性能。框架-摇摆墙结构是摇摆结构的一种,其中摇摆墙能够绕着墙底连接件发生面内转动。墙体底部约束的释放降低了对基础的承载力需求,同时能有效避免地震作用下墙体的损伤。具有较大刚度的摇摆墙能有效地控制结构的变形模式,防止出现变形和损伤集中。在框架-摇摆墙结构中增设阻尼器和预应力钢筋可分别增加其耗能能力并减少震后残余变形。该文提出了框架-摇摆墙结构的分布参数模型,利用该模型分析了摇摆墙刚度对结构侧移分布、摇摆墙和框架承载力需求的影响。研究了摇摆墙在国内某工程抗震加固改造中的应用,提出了摇摆墙加固的具体方法以及连接的局部构造。采用动力弹塑性时程分析的方法,对比了原结构与摇摆墙加固后结构的抗震性能。分析结果表明,摇摆墙加固方案能使塑性铰的分布更加均匀,增设预应力钢筋和金属屈服型阻尼器显著提高了结构耗能能力,减小了结构的残余变形。     

连续摇摆墙-屈曲约束支撑框架抗震性能分析

高层摇摆墙的刚度和强度需求较大,且预制和吊装施工困难。为减小高层框架结构的位移响应和损伤集中效应,提出了连续摇摆墙-屈曲约束支撑框架(CRW-BRBF)结构体系,即连续摇摆墙控制层间位移分布模式,屈曲约束支撑承担地震作用并充当耗能减震装置,框架承担竖向荷载作用并作为抗震第二道防线。采用Open Sees软件对结构进行了22条地震波的动力时程分析,对比了屈曲约束支撑框架(BRBF)、摇摆墙-屈曲约束支撑框架(RW-BRBF)和CRW-BRBF的抗震性能。分析结果表明:连续摇摆墙可以减少BRBF结构的层间位移角不均匀系数;与RW-BRBF相比,CRW-BRBF中摇摆墙的弯矩和剪力需求均较小。     

双段消能摇摆结构体系的地震反应特性研究

单段消能摇摆结构体系通过刚度较大的摇摆结构,能够控制主体结构均匀变形,遏制薄弱层产生。当结构高度较高时,单段摇摆结构的抗弯刚度较难满足抗震设计需求,单段消能摇摆结构体系不适用于高层建筑。基于此,提出了将单段摇摆结构划分为双段、并于分段位置处布设位移型阻尼器的双段消能摇摆结构体系。双段摇摆机制可以抑制薄弱层产生,降低摇摆结构的抗震设计需求。阻尼器能够消耗地震能量,进一步降低结构的地震反应。以双段消能摇摆钢桁架-框架结构为对象,分析对比了支撑-框架结构、单段消能摇摆钢桁架-框架结构、单段摇摆钢桁架-框架结构以及双段摇摆钢桁架-框架结构的抗震性能。采用OpenSees软件建立弹塑性有限元分析模型,进行了弹塑性抗震分析以及增量动力时程分析。研究表明,双段消能摇摆结构体系具有良好的抗震性能与可恢复性能,相比单段消能摇摆结构体系,可以进一步减小结构地震反应和摇摆结构抗震设计需求,该体系能应用于更高的建筑。     

空腹式型钢混凝土异形柱中框架抗侧刚度试验研究

通过对1榀1/2。5比例两跨三层的空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在反复荷载作用下的试验研究,分析了结构的弹塑性特征以及整体和层间抗侧刚度的退化过程。通过分析可知:空腹式SRC异形柱框架沿竖向的刚度分布较均匀;层刚度与整体刚度的退化均表现出由快到慢的规律;获得了层间位移角的变化与层刚度退化之间的关系;结构正、负向弹塑性性能接近,极限层间位移角大于规范规定的限值,抗倒塌能力强;空腹式型钢混凝土异形柱中框架的延性优于钢筋混凝土异形柱框架;结构破坏时可以形成梁铰机制,符合“强柱弱梁”的要求。     

内填钢板墙双肢冷轧C型钢框架抗震性能

内填钢板墙的双肢C型钢框架是一种新型的框架结构体系,建立三层该类框架进行低周往复加载试验,分析其破坏形态、模式及抗震性能,试验结果表明:钢板墙的屈曲起到了良好的耗能作用,内填钢板墙可以提高双肢C型钢框架的承载力和刚度,层间位移角满足抗震设计要求。在试验的基础上,考虑钢板墙的高厚比、钢板墙高宽比、框架柱刚度系数等参数,采用验证后的有限元模型,分析各个参数下内填钢板墙框架的抗震性能,得到了一定的参数设计建议。     

框架-预应力摇摆墙结构抗震性能试验研究

该文提出了一种框架-预应力摇摆墙新型结构形式,其中摇摆墙脚部混凝土采用橡胶块替代,并通过墙内预埋的无粘结预应力筋与基础进行贯穿连接,摇摆墙与主体框架则采用耗能连接件相连。通过一榀框架试件和一榀框架-预应力摇摆墙试件的拟静力试验,研究了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明:框架-预应力摇摆墙结构的破坏有效地集中在耗能连接件上,梁端、柱端以及梁柱节点区的破坏相对较轻;极限承载能力提升显著,相较对比框架提高了112.4%;耗能能力较对比框架大幅提升,且各层层间变形趋于均匀;耗能连接件发挥出了良好的延性变形能力,且施工方便、造价低,实现了可更换构件与摇摆结构的有机结合。     

钢框架-钢板墙和组合柱-钢梁框架振动台试验研究EI北大核心CSCD

为深入研究钢框架-钢板剪力墙和钢管混凝土柱-钢梁框架两种典型装配式结构体系的整体抗震性能和拓展其在高烈度区的应用,以甘肃省装配式示范工程中的两栋高层(10层)住宅建筑方案为原型,进行了1/8缩尺模型的地震模拟振动台试验。结果表明,钢框架-钢板剪力墙结构中的钢板剪力墙首先达到屈服状态,随后框架上出现塑性铰,塑性损伤主要集中在钢板墙及相邻梁端,个别1层柱脚出现损伤,体现了“多道抗震防线”的理念,巨震后(1.200g)结构的自振频率降幅约为19.5%(X向)和17.4%(Y向);钢管混凝土柱-钢梁框架结构的损伤主要在1层、4层及5层梁端,1层柱脚也出现少量塑性铰,体现了“强节点弱构件”的设计原则,巨震后结构的自振频率降幅约为19.5%(X向)和17.8%(Y向)。两类结构体系均能实现“小震不坏、大震不倒”的抗震设防目标,具有良好的抗震性能。此外,结构体系的侧向变形模式与整体结构的刚度分布密切相关,并且随着地震动峰值的增大愈加明显,钢框架-钢板剪力墙的抗侧刚度沿着高度呈降低趋势,整体呈现弯曲型的特征,钢管混凝土柱-钢梁框架(1层除外)抗侧刚度沿着高度分布较均匀,整体呈现剪切型的特征。     

实腹式型钢混凝土异形柱框架刚度与承载力试验研究

通过2榀实腹式配钢的型钢混凝土(SRC)异形柱框架的低周反复加载试验,获得其破坏特征和荷载-位移滞回曲线,分析其刚度和承载力。结果表明,实腹式配钢的SRC异形柱框架具有良好的抗震性能,破坏机制为梁铰机制;刚度退化由快到慢,呈现出较好的规律性;对SRC异形柱框架的弹性层刚度进行计算,结果与试验结果符合较好;承载力衰减随加载位移的增加而增大,但当位移小于5#x00394;_y时,同级位移下承载力衰减较小;实腹式SRC异形柱框架的层间受剪承载力可采用柱底塑性铰法进行计算。     

用外贴BRB减震框架加固既有混凝土结构的研究

采用外贴BRB减震框架对按TJ11-78设计的混凝土结构进行了加固设计,对比计算了原结构和减震加固结构的抗震性能,包括地震作用、位移、轴压比、层间剪力等,进行了非线性推覆分析和动力时程分析,对比了塑性铰状态、铰分布规律、内力包络等。研究了用此法加固时可减轻既有框架负担,改变原有框架存在的底部轴压比大、剪力大、层间侧移角大的先天不足规律的机理。此法可充分发挥消能减震技术的优越性,得到更好的抗震性能和结构性态。通过静力反复加载试验,验证了减轻主体结构震害、转移塑性铰布局规律的效果。建议的加固方法还可减少或避免室内作业,为用户和施工者提供便利条件。     

侧移曲线对基于位移设计的多层自复位摩擦耗能支撑钢框架抗震性能影响研究

采用直接基于位移的抗震设计方法时需预先确定结构的侧移曲线,但侧移曲线对设计结果和结构抗震性能的影响有待研究,为此该文以自复位摩擦耗能支撑钢框架为例,考虑结构非线性程度和层数,分析了3种典型侧移曲线对结构抗震性能的影响,为该类支撑钢框架结构的侧移曲线选择提供依据。结果表明:侧移曲线对3层支撑框架的基底剪力设计值影响不大,但对6层支撑框架的基底剪力有明显影响;楼层设计位移角随设计侧移曲线变化而变化,最终导致楼层设计刚度差别较大;3层以下低层自复位摩擦耗能支撑钢框架结构的实际侧移表现为线型,设计时建议采用线型侧移曲线,6层左右的多层结构的实际侧移表现为弯曲型,建议采用弯曲型侧移曲线进行设计。     

屈曲约束钢板剪力墙边框刚度影响研究

为了考察边框刚度对屈曲约束钢板剪力墙抗震性能的影响,该文将带边框普通钢板剪力墙和屈曲约束钢板剪力墙作为研究对象,采用ABAQUS非线性有限元分析软件,计算边框刚度对构件受力性能的影响。计算结果表明,在水平往复荷载作用下,带边框屈曲约束钢板剪力墙的滞回曲线饱满,等效粘滞阻尼系数较大,边框柱与边框梁对侧向刚度、承载力与塑性耗能均有一定贡献。在1/50层间位移角时,屈曲约束钢板剪力墙边框柱与边框梁的内凹变形均很小,Mises应力均小于普通钢板剪力墙的边缘构件,损伤程度显著降低,说明对边框柱与边框梁抗弯刚度的要求可以显著低于普通钢板剪力墙。屈曲约束钢板墙内嵌钢板的拉力带分布均匀、细密,最大面外变形与损伤程度均小于普通钢板剪力墙。螺栓对盖板面外变形有很大的约束作用,当螺栓间距较小时,混凝土盖板与钢筋的Mises应力显著减小。现行技术标准中对非加劲钢板剪力墙边框刚度的规定,不能很好地适用于屈曲约束钢板剪力墙。     

自复位消能摇摆模块复合钢框架协同抗侧机理与抗震加固设计方法

该文采用自复位消能摇摆模块对既有抗弯钢框架进行加固，以减小其震后残余位移、提升其地震抗倒塌性能、避免其因层间变形集中而发生薄弱层倒塌破坏。基于分布参数连续体模型，揭示了自复位消能摇摆模块与钢框架结构的协同抗侧机理，分析了自复位消能摇摆模块抗弯刚度及抗侧刚度对结构层间变形模式、摇摆模块和钢框架内力需求的影响。提出了利用自复位消能摇摆模块加固既有抗弯钢框架基于位移的抗震设计方法，给出了具体设计流程。基于提出的设计方法对某三层抗弯钢框架进行加固设计。静力推覆分析和动力分析结果表明，自复位消能摇摆模块可有效减小既有抗弯钢框架结构的震后残余变形、使结构获得均匀的层间变形模式。加固后的结构在设计地震下可达到预期设计目标。     

损伤可控的含减震外挂墙板RC框架结构抗震性能分析

预制混凝土外挂墙板作为一种高性能外围护构件在装配式建筑中得到广泛应用。为利用外挂墙板与主体结构之间的相对变形,提出在外挂墙板上部和下部分别采用钢筋线连接和U型耗能器（USD）的连接方式,形成含减震外挂墙板RC框架（F-USD）结构;进一步,在结构中加入摇摆墙,形成损伤可控的F-USD结构（F-USDRW）。基于校准的数值模型,进行了动力时程分析,对比了外挂墙板RC框架、F-USD和F-USDRW罕遇地震下USD耗能和结构响应。结果表明:提出的含USD外挂墙板可以实现减震目标;在F-USD中,各层USD耗能分布不均匀,某些楼层USD甚至不屈服;在F-USDRW中,摇摆墙可以有效地控制结构层间剪力和位移分布,各层USD均能够进入塑性阶段,提高了耗能的效率和能力,更有效地降低了结构位移响应和残余变形。     

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则研究

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则对其减震效果和结构的抗震性能影响显著。建立检验减震效果的6层和16层钢框架基准模型,分别以位移和层间位移不均匀系数为衡量结构地震损伤程度和损伤集中效应的指标,分析了支撑和框架间以及楼层间支撑较优且经济适用的布置原则。结果表明:减震效果随支撑面积的增加而减弱,建议主体框架加入支撑后结构的基本周期降低不宜超过1.5倍~2.0倍;支撑面积在楼层方向线性分布的比例系数为0.5~1.0时,结构的损伤集中效应较小。以“上层BRB屈服应发生在下层框架屈服之前”为性能目标,推导了楼层间支撑面积比上限值的理论公式,并用一个算例验证了公式的正确性。公式表明:当框架刚度较低或者屈服位移较小时,需严格限制支撑面积比,以防出现仅有某层或者较少层BRB屈服的集中损伤模式的不利现象。基于上述布置原则,给出了屈曲约束支撑框架设计流程。     

钢管混凝土柱排架-核心筒结构抗震性能研究

以钢管混凝土柱钢框架-核心筒结构为工程背景,将钢梁与柱、核心筒的节点修改为螺栓连接的铰接节点,制作1/40的缩尺结构模型进行振动台测试,研究结构的损伤特点、动力特性、最大侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和延性需求等。结果表明:震损出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应较显著;核心筒最大层间位移角达1/26,超过规范框架-核心筒结构体系不倒塌限值3.8倍未出现倒塌;钢排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,楼层延性需求差异大。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能混合试验

为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能,建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统,进行了一个1:2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性,分析了试验子结构的位移加载精度,作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载,分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明:作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近,最大相对误差为13.60%,各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右;随着地震波加速度峰值的增大,模型的自振频率下降,刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处,以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197,符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上,基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应,高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。