刚度串联式耗能连梁结构设计关键技术研究

钢筋混凝土剪力墙结构是高层建筑结构中最常用的结构类型之一,消能减振技术作为控制结构振动反应的有效手段而越来越多地应用于钢筋混凝土剪力墙结构。连梁作为钢筋混凝土剪力墙结构的重要构件,在结构体系中起到增加结构侧移刚度、传递墙肢间荷载和位移、担当结构抗震设防第一道防线、强烈地震作用下消耗振动能量等重要作用。鉴于连梁的重要性,自上世纪60年代以来国内外学者先后提出了普通配筋连梁、斜向交叉暗撑配筋连梁、菱形配筋连梁、斜向交叉钢筋连梁、双连梁、劲性连梁、刚性连梁、外贴钢板式耗能连梁、刚度串联式耗能连梁等多种连梁设计方案。其中钢筋混凝土—软钢阻尼器刚度串联式耗能连梁(以下简称刚度串联式耗能连梁)作为钢筋混凝土剪力墙结构消能减振领域内的一项新技术,自提出以来逐渐被多个工程项目采纳和使用。刚度串联式耗能连梁设计方案自上世纪90年代被提出以来,国内外学者进行了一定的研究。但目前国内外研究成果主要集中于阻尼器类型的设计,而少有人研究阻尼器在结构空间位置优化布置的问题。本文基于国内外研究现状,针对刚度串联式耗能连梁的设计概念、设计技术以及阻尼器沿结构空间位置优化等问题进行了研究。本文主要研究工作汇总如下:(1)总结并分析了钢筋混凝土剪力墙结构连梁受力特征及刚度串联式耗能连梁工作机理。首先对连梁的震害特征以及对连梁横截面剪切应力沿结构高度方向的分布规律进行了分析。然后基于延性设计原理,阐述了双肢剪力墙中耦合比的概念。最后根据建筑结构阻尼器工作原理,结合连梁内力分布特征分析和连梁震害特征总结,分析了组合耗能连梁的工作机理。(2)基于反应谱理论拟合出考虑多因素的速度反应谱阻尼效应修正系数计算公式并剖析了减震系统工作原理。首先,介绍了地震反应谱相关理论,并初步分析了两大减震系统的工作机理以及其适用范围。然后基于反应谱理论详细分析了两大减震系统的减震原理。最后基于强震记录拟合得到速度反应谱阻尼效应修正系数计算公式。(3)提出并分析了刚度串联式减震结构减震性能曲线基本理论、曲线构建方法和曲线形式,并建立了基于减震结构性能曲线的刚度串联式减震结构初步设计方法。根据单自由度力学模型以及对应的滞回曲线,并基于弹塑性反应谱等效线性化方法的基本原理,推导出单自由度减震系统的等效周期、等效阻尼比的计算公式。确定了减震结构性能曲线绘制方法及关键技术,建立了刚度串联式减震结构减震性能曲线,探讨了减震结构性能曲线的工程应用价值。提出了基于减震结构性能曲线的刚度串联式减震结构设计方法和设计流程。(4)提出了软钢阻尼器沿钢筋混凝土剪力墙结构竖向布置的设计方法、设计原则以及设计计算公式。研究了基于减震结构性能曲线相关理论的多自由度减震系统阻尼器刚度沿结构高度方向的分配原则和方法。详细分析了每一竖向布置原则的物理意义,并对五大竖向布置原则之间的关系进行了探讨。根据阻尼器沿结构竖向布置五大原则所对应的力学原理及计算公式,推导出结构各层阻尼器刚度和延性系数分配计算公式。(5)提出了软钢阻尼器在钢筋混凝土剪力墙结构各层布置原则以及软钢阻尼器的设计方法、设计原则以及设计计算公式。提出了阻尼器沿结构水平向布置的基本原则。基于连梁的实际工作性能和软钢阻尼器的力学特性,提出了刚度串联式耗能连梁中金属阻尼器设计的三大原则。根据力学理论和结构材料特性,分别推导出各阻尼器设计原则所对应的方法和公式。(6)采用本文建立的结构消能减震设计方法,对一栋典型的钢筋混凝土剪力墙结构进行了消能减震优化设计,并使用Seismostruct有限元分析软件对设计结果进行了弹塑性时程分析验证,验证结果表明本文所确定的刚度串联式消能减震设计方法科学合理、结果可靠、具有工程实用价值。     

高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论

本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例,采用ETABS软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题。以阻尼器刚度、设计极限位移、附加阻尼比等参数为基本参量,以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标,对比研究了阻尼器空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律。验证了阻尼器刚度参数变化影响结构主振周期变化,进一步影响层间剪力减震效果;阻尼器设计极限位移参数变化引起结构整体耗能能力变化,即阻尼器的设置增加了结构附加阻尼比尤其是大震附加阻尼比,使结构大震作用下的层间位移反应得到有效控制。给出了如下设计建议:当在高层剪力墙结构中采用消能连梁进行消能减震设计时,应尽可能将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处,并使阻尼器的设计屈服位移和极限位移分别与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配。在设计过程中应通过调整阻尼器刚度尽可能延长消能减震结构的基本振动周期,优化阻尼器布设位置和数量,最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献,达到显著降低结构地震反应的目的。     

安装形状记忆合金阻尼器的剪力墙结构抗震性能分析

为减轻钢筋混凝土剪力墙连梁的地震后永久性损伤,同时保持连梁的耗能机制,本文提出在剪力墙连梁中安装新型形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)阻尼器,并研究该阻尼器对剪力墙结构地震响应的减震效果。通过一幢12层剪力墙结构地震反应的时程分析,研究了SMA阻尼器的附加刚度比和屈服位移比两项特征参数对结构地震反应控制效果的影响规律。计算分析结果表明,当附加刚度比为0.04～0.05,屈服位移比为0.4～0.5时,可以获得较好的减震效果。     

采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%~42.0%的层间位移角和41.0%~44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。     

铰支墙-框架新型结构体系的损伤控制研究

震后可恢复性(Earthquake Resilience)已经成为了建筑结构体系的重要评价标准之一。作为高层建筑结构中最主要的抗侧力构件,钢筋混凝土剪力墙在近几次大地震中暴露出了震后可恢复性方面的缺陷。主要表现为连梁损伤严重、难以修复;剪力墙底部钢筋屈曲、混凝土压溃、剪切破坏明显,同样难以修复。针对上述两点问题,本文分别研究了剪切型金属阻尼器连梁和塑性铰支墙两种构件,建立两类构件的设计方法和简化数值模型。在此基础上运用连续化方法对铰支墙-框架结构体系中塑性铰支墙和消能连梁的强度和刚度需求进行了讨论。本文的主要研究内容如下:(1)对国内多组普通RC连梁和剪力墙构件试验的结果进行了统计分析,其结果显示了两类RC构件的变形能力与设计参数之间的关联存在较明显的离散性。(2)提出了带缝钢板阻尼器及跨中布置该阻尼器的剪切型消能连梁。本文进行了大剪跨比(r=3.0)的普通RC连梁和剪切型消能连梁的对比试验研究,结果显示,普通RC连梁和消能连梁试件的实测峰值荷载和名义屈服剪力值相差在4%以内。消能连梁阻尼器可以更早地进入屈服耗能状态,避免连梁混凝土部分遭受严重损伤。消能连梁变形的80%以上集中在阻尼器内,充分发挥了位移相关型阻尼器的耗能能力。阻尼器连接构造存在滑移,一定程度上影响了阻尼器性能的发挥。最后,建立了消能连梁的简化数值模型并验证了其适用性。(3)针对剪力墙底部墙肢复杂的弯剪耦合作用机制,提出了抗弯/抗剪功能分离的塑性铰支墙并建立了相应的承载力和刚度设计公式。塑性铰支墙与普通RC剪力墙的对比试验证明,本文提出的设计方法可以更准确地获得塑性铰支墙不同性能目标下的力学性能;塑性铰支墙具有更强的变形和耗能能力;塑性铰支墙的总变形中,弯曲变形占有绝对比重,避免了铰支墙发生剪切型破坏,保证了"强剪弱弯"的性能,从而避免了底部墙肢的不可修复损伤。(4)对塑性铰支墙的主要设计参数进行了研究,给出了相关建议。建立塑性铰支墙的简化数值模型。其中,采用在纤维模型的截面附加剪切恢复力本构来模拟RC剪力墙的方法,以及采用零长单元模拟阻尼器连接段非线性行为的方法均根据试验结果进行了准确性验证。在此基础上研究了塑性铰支墙几何参数(墙肢宽高比r、铰支座高度比μ)、轴压比ν、阻尼器核心段初始刚度K_(ed)对墙肢力学性能的影响,参数分析的结果显示,阻尼器性能的发挥主要受几何参数的影响,建议将塑性铰支墙布置在结构底部加强层范围内,高宽比r≤1.0,同时,铰支座的布置高度不宜超过铰支墙高度的60%。在满足阻尼器极限变形要求的前提下,通过选择更大的高度比μ和初始轴向刚度K_(ed)更大的阻尼器,可以使塑性铰支墙获得更高的承载力和刚度。(5)采用连续化设计,对铰支墙结构和铰支墙-框架结构在3种常见类型的水平荷载作用下的效应进行分析。结果表明,连续化设计方法可以得到铰支墙结构的结构响应,内力和变形计算公式中均显出铰支墙所在层的性能对结构响应的影响比较明显。     

组合连梁RC框剪结构地震损伤控制研究

框架-剪力墙结构作为多层及高层结构普遍采用的建筑结构形式之一,是抗震设计与加固的重点与热点。组合连梁技术为降低墙肢损伤,震后快速恢复结构功能,降低社会灾后重建的成本提供了新的思路。但目前对组合连梁框架-剪力墙结构体系的研究仍不充分,组合连梁对于整体结构的控制效果仍有待确认。本文通过子结构试验与数值分析的方法,系统地研究了组合连梁的力学性能,给出了合理的组合连梁设计参数,并提出了基于连续化方法的带组合连梁的剪力墙结构的抗震分析方法。本文的主要工作及成果如下:(1)带缝钢板阻尼器力学性能试验研究。通过带缝钢板阻尼器低周拟静力循环加载试验研究,研究了开缝宽度和工艺、连接构造措施、弯曲单元跨高比等关键因素对带缝钢板阻尼器力学性能的影响,同时研究了带缝钢板阻尼器的延性、超强系数及低周疲劳性能。并通过精细化有限元分析对缝宽为2mm的阻尼器试验进行了模拟,讨论了损伤模型及损伤参数的取值,并为试验结果补充了分析参数。通过Bouc-Wen宏观模型,对缝宽为6mm的阻尼器试验进行了模拟,通过回归分析,建立了Bouc-Wen形状控制参数与阻尼器力学性能控制参数之间的关系。(2)传统连梁与带缝钢板阻尼器组合连梁对比试验研究。通过一组传统连梁与组合连梁的对比试验研究,验证了组合连梁在连梁和墙肢的损伤控制、相同位移角下的耗能能力,变形能力等方面的优势,同时研究了超强系数对组合连梁的影响。(3)大比例传统剪力墙和组合连梁剪力墙子结构试验研究。根据某18层原型结构,制作了1/3缩比的6层传统连梁剪力墙和组合连梁剪力墙试验体,进行了子结构拟动力试验及低周拟静力循环加载试验研究,研究了组合连梁剪力墙结构的力学性能及损伤破坏模式,证明了组合连梁墙片在结构层间位移角、地震力输入方面的控制效果,同时测量了组合连梁的变形需求。(4)组合连梁框剪结构参数分析。在验证模型正确的基础上,应用有限元软件Marc对消能墙片进行了参数分析,研究了在10层、20层、30层3种不同高度下,组合连梁的跨高比、刚度参数及强度参数对于整体框架-剪力墙结构的地震响应的控制作用,分析了结构的层间位移角、楼层剪力分布、结构沿楼层的耗能分布等结构响应随参数的变化关系,并给出了组合连梁设计参数的合理范围。(5)基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙结构的抗震分析方法。基于传统双肢剪力墙的连续化方法,考虑了组合连梁以及墙肢的塑性能力,通过计算组合连梁剪力墙的周期与振型、组合连梁的附加阻尼比,并结合MPA方法,提出了基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙抗震分析方法,为阻尼器参数及优化分析奠定了基础。     

设置金属阻尼器的预制装配式剪力墙结构抗震性能分析

预制装配式结构是未来建筑结构发展趋势,但是其整体抗震性能是装配式结构的薄弱环节。因此,将作者提出的剪切型软钢阻尼器设置于实际预制装配式钢筋混凝土高层剪力墙结构的连梁中部,以此提高整体结构抗震性能。该文基于ABAQUS有限元软件平台,提出一种可以有效模拟该软钢阻尼器剪切性能的连接单元,将其应用于该装配整体式剪力墙结构中,进行有限元建模和弹塑性时程分析,通过对比减震前后结构的相关地震反应,分析结构在罕遇地震作用下的减震效果。分析结果表明,设置阻尼器的减震结构,损伤连梁的数量明显减少,连梁阻尼器具有良好的耗能性能,层间位移角、结构损伤、基底反力均有所有减小。因此,采用这种软钢阻尼器可以提高装配整体式剪力墙结构的整体抗震性能。     

基于耗能连梁钢板阻尼器的高层结构耗能减振分析及应用

为改善传统连梁钢板阻尼器的适用性,提出了一种新型耗能连梁钢板阻尼器的设计方法,通过对阻尼器工作区域的划分与设计,使新型阻尼器充分发挥耗能作用,有效地提高了结构整体耗能能力。基于有限元软件ABAQUS模拟低周反复荷载作用下墙肢与阻尼器的应力应变状态,以验证所提出的新型阻尼器的设计方法及端部嵌固区的可靠性,并通过对原结构和实施耗能连梁钢板阻尼器结构进行弹塑性时程分析,探讨其改进后的抗震性能。研究结果表明,新型嵌固区构造不仅能够保证阻尼器与墙肢协同工作良好,还能大大降低施工难度;通过实施该阻尼器,可形成耗能连梁及抗震多道防线,在连梁钢筋混凝土部分损伤较为严重的情况下,仍能保证连梁具有一定的延性和耗能能力。     

半通缝连梁剪力墙结构抗震性能分析

连梁是剪力墙结构中重要的耗能构件,小跨高比连梁通常具有延性差,耗能能力薄弱等缺陷,不能起到保护墙肢的作用。半通缝连梁可有效改善小跨高比连梁的延性[1]。为进一步探究带有半通缝连梁的剪力墙结构的抗震性能,包括:延性系数、耗能能力等抗震性能参数,以及验证半通缝连梁剪力墙结构的破坏机理。基于有限元软件ABAQUS建立3种不同连梁形式的单片双肢剪力墙结构数值模型,对结构的低周反复试验进行仿真,以分析3种截面形式连梁的单片双肢剪力墙结构在低周往复荷载作用下的承载能力、耗能能力和延性。研究表明:半通缝连梁剪力墙结构可以兼顾双连梁剪力墙结构的延性和深连梁剪力墙结构的开裂前刚度,耗能性能与双连梁剪力墙结构相近,承载力较双连梁剪力墙结构高,抗震性能良好。     

粘滞阻尼耗能连梁的超高层结构减震性能研究

连梁作为剪力墙结构中的抗震第一道防线,其承载力和耗能能力对整体结构的抗震性能有重要影响。本文提出在连梁中附设粘滞阻尼器,利用阻尼器发生竖向剪切变形而耗能。结合实际工程研究粘滞阻尼耗能连梁的性能,采用ETABS和PERFORM-3D软件对粘滞阻尼耗能连梁结构与传统连梁结构进行有限元模拟对比分析,并对粘滞阻尼耗能连梁的各项最优参数进行研究。结果表明:粘滞阻尼耗能连梁充分发挥耗能作用,整体结构具有良好的抗震性能,与传统连梁结构相比,主体结构的弹性耗能得到明显降低。平面布置方式、竖向布置方式、阻尼器参数的选取对附设粘滞阻尼耗能连梁的框架-核心筒结构减震效果影响较大,合理选择这些参数可以使耗能结构减震效果最优。     

双肢剪力墙连梁截断式剪切型金属阻尼器抗震设计与分析

联肢剪力墙结构中连梁因跨高比偏小且受力复杂,在地震中常遭遇不同程度的损伤,为降低其损伤程度且便于震后快速修复,本文提出一种新型的连梁截断式剪切型金属阻尼器及具体的设计要求,应用工程力学理论推导阻尼器双线性模型的参数设计方法,然后程序化设计流程以便于工程应用,最后采用壳单元和纤维模型分别建模分析多层双肢剪力墙拟静力试验,对比安装阻尼器前后结构初始刚度、失效模式及耗能性能的变化。研究结果表明,本文提出的阻尼器及其设计方法可靠合理,在安装阻尼器后结构抗震性能得到明显提高;当结构抗侧刚度与极限承载力削弱在10%以内时,其延性增强程度及破坏模式改善的效果显著;针对连梁先于墙肢屈服的结构,阻尼器耗能占结构总耗能的比例与附加阻尼比均有较大提高,达到了预期的设计目标。     

带有可更换连梁的钢筋混凝土结构设计方法

钢筋混凝土剪力墙结构通过设置可更换连梁,在地震作用下集中损伤,保护主体结构不受或只受微小破坏,震后更换损伤构件即可恢复结构功能。参照现行规范和已有试验分析结果,在普通钢筋混凝土结构设计基础上,提出带有可更换连梁的钢筋混凝土结构实用设计方法,设定性能目标,总结设计流程。采用提出的设计方法对1个50层钢筋混凝土结构进行设计,并采用大型有限元分析软件ABAQUS建立数值模型,验证结构性能目标和提出的设计方法。结果表明:按该方法设计的带有可更换连梁的钢筋混凝土结构能满足所设定的性能目标,设计方法合理实用,为该新型结构的工程应用提供了参考。     

新型可更换连梁研究进展

联肢剪力墙是高层建筑结构中广泛采用的抗侧力结构体系,而连梁是联肢剪力墙结构中重要的耗能构件。然而,不论是传统的钢筋混凝土连梁还是钢连梁或型钢混凝土组合连梁破坏后修复或更换都比较困难,代价昂贵。近年来,国内外的部分学者开始研究可更换连梁,使连梁在受损后易于修复或更换,减小连梁修复费用。本文首先提出了可更换连梁的定义和分类,然后对目前国内外可更换连梁的研究现状进行了比较全面的总结,特别是介绍了2012年9月第15届世界地震工程会议上展示的相关研究成果,最后对可更换连梁的研究未来做了展望。     

斜拉桥纵向设置粘滞阻尼器参数分析

采用Maxwell阻尼模型模拟了粘滞阻尼器的滞回耗能特性。通过对设置粘滞阻尼器斜拉桥纵向非线性地震反应的分析，讨论了粘滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响，并通过计算证实了粘滞阻尼器具有良好的消能减振效果。     

非线性粘滞阻尼器消能结构设计方法探讨

在建立非线形粘滞阻尼器消能结构性能曲线的基础上，建议了依据减震性能目标确定阻尼器参数的概略设计方法。提出了多自由度非线性粘滞阻尼器消能结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上建议了适用于多自由度非线性粘滞阻尼器消能结构地震反应预测的模态叠加法，方法与时程分析结果对比吻合良好。为使各层阻尼器参数更好地满足减震性能要求，提出了将概略设计得到的层阻尼器参数依据减振性能目标进行调整的方法。     

新疆某既有框剪结构黏滞阻尼器减震加固设计

以新疆某12层钢筋混凝土框架剪力墙结构为例,采用消能减震技术进行加固改造,并进行了弹塑性动力时程分析。结果表明:首层剪力明显减小,X、Y方向层间位移均有不同程度的减小,因此,采用黏滞流体阻尼器使得该结构的抗震性能得到提升,满足现有抗震规范的要求。     

某高层框架剪力墙结构减震性能分析

为了研究剪切型铅阻尼器在高层建筑结构中的耗能减震效果,以高烈度地区某设置剪切型铅阻尼器的框架-剪力墙结构为工程背景,首先通过Sap2000分析了结构的动力特性,在此基础上对结构进行了消能减震设计。其次采用非线性分析软件ABAQUS对结构进行了罕遇地震作用下的有限元分析,对比了不同地震波作用下的结构弹塑性分析结果。分析结果表明:设置剪切型铅阻尼器的高层建筑结构的抗震性能较好,为剪切型铅阻尼器在高层框架-剪力墙结构中的应用提供了成功的工程案例,其设计思路可以为高层结构的减震提供有益的借鉴和参考。     

连梁刚度折减系数对剪力墙结构的影响研究

剪力墙结构在进行地震计算时,按照相关规范要求连梁的刚度可折减,折减方式的不同对剪力墙结构整体刚度和构件内力等结果影响较大。设计人员通常给定全楼统一的连梁刚度折减系数,这种简化做法会导致结构刚度和构件受力与实际不符。本文对9栋典型剪力墙结构进行了非线性分析,研究了连梁刚度折减系数对剪力墙结构整体指标和构件内力的影响,并给出了剪力墙结构设计时连梁刚度折减系数的确定方法建议。     

基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法研究

针对现有附加有效阻尼比计算方法存在的问题,本文从能量的角度揭示了阻尼比对结构影响的机理。从结构设计的角度,提出一种在时程分析下基于楼层剪力的消能减震结构等效阻尼比计算方法。对布置黏滞阻尼器和软钢阻尼器的消能减震模型,采用本文提出的等效阻尼比计算方法,建立等效结构进行结构响应对比。结果表明,由该计算方法得到的等效阻尼比能够准确地评估阻尼器在结构中的耗能效果,建立的等效结构能够准确反映消能减震结构实际情况。基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法通过等效结构楼层剪力大于或等于消能减震结构楼层剪力判断迭代完成,该方法计算过程不涉及阻尼器参数及结构形式,适用于所有阻尼器类型与结构类型。计算得到的等效结构进行设计能够确保结构设计的安全。     

钢筋混凝土核心筒性态水平及性能指标限值研究

结合国内外对钢筋混凝土结构性能水平的划分标准并根据核心筒结构破坏特征及抗震性能要求,文中在现行规范基础上进一步细分,将钢筋混凝土核心筒结构的性能水准划分为良好使用、暂时使用、生命安全和接近倒塌4个水平;基于混凝土连梁及剪力墙构件的受力、变形及破坏特点,分别提出了连梁及剪力墙构件对应于4个性能水平的失效判别标准和变形限值...