高强钢组合K形偏心支撑钢框架震后修复试验研究

高强钢组合K形偏心支撑钢框架通过低屈服点耗能梁段的弹塑性变形耗散能量,结构破坏主要集中于此,可通过更换耗能梁段完成结构修复。为研究替换构件法修复这种结构的可行性和修复后结构的抗震性能,先对1榀单层单跨1/2缩尺的高强钢组合K形偏心支撑钢框架进行循环加载试验;将已加载破坏的试件进行更换耗能梁段修复,再对修复后的试件进行循环加载试验。试件破坏模式和主要抗震性能指标的分析结果表明:采用替换耗能梁段法修复这种结构是可行的,且修复工作量小,有利于尽快恢复正常;修复后的极限承载力与原试件相当,但延性系数略有降低;相同层间位移角下二者耗散能量差别不大,但修复后的耗能梁段转动能力不及原试件。     

不同支撑形式高强钢组合偏心支撑抗震性能研究

耗能梁段作为偏心支撑结构的耗能元件,在大震作用下通过弹塑性变形吸收地震能量,保护主体结构处于弹性受力状态。现行规范基于强度的设计理论,为了保证耗能梁段进入塑性或破坏,梁柱构件需要进行放大内力设计,导致截面过大,而且基于强度的设计方法很难保证结构的整体破坏状态。目前,抗震设计越来越重视基于性能的设计思想,该方法能够评估结构的弹塑性反应。对于高强钢组合偏心支撑,其中耗能梁段和支撑采用Q345钢,框架梁柱采用Q460或者Q690高强度钢材,高强钢不仅带来良好的经济效益,而且能够推广高强钢在抗震设防区的应用。利用基于性能设计方法设计了4种不同形式的高强钢组合偏心支撑钢框架,包括K形、Y形、V形和D形,考虑4层、8层、12层和16层的影响。通过Pushover分析和非线性时程分析评估该结构的抗震性能,研究结果表明:4种形式的高强钢组合偏心支撑钢框架具有类似的抗震性能,在罕遇地震作用下,几乎所有耗能梁段均参与耗能,而且层间侧移与耗能梁段转角沿高度分布较为均匀。其中:D形偏心支撑具有最大的抗侧刚度,但延性较差,而Y形偏心支撑的抗侧刚度最弱,但延性最佳。     

基于含耗能梁段钢框筒侧向力分布的影响比较

含可更换剪切型耗能梁段钢框筒是一种新型消能减震结构,利用部分裙梁跨中耗能梁段集中塑性变形,方便震后快速替换和结构功能恢复。利用时程分析进行该结构截面的初选计算成本高,常用侧向力分布方式与时程分析的分析结果差异以及对该结构设计安全性的影响需要评估。利用SAP2000软件对1个30层含耗能梁段钢框筒进行了双向地震下的时程分析和五种侧向力分布方式的Pushover分析,并比较了"三水准"下的楼层位移、层间位移角、层剪力、层倾覆弯矩、性能点,以及大震下的柱轴力、塑性铰分布,并评价了各侧向力分布方式的影响和给出了该结构的一些设计建议。研究表明:各侧向力分布在含耗能梁段钢框筒的性能评估中有一定的参考价值,单一侧向力分布均不足以预估它的性能,宜考虑两种或多种侧向力分布来评估其性能;大震下各侧向力分布的最大层间位移角明显高于时程均值,各侧向力分布下结构的延性系数约为2;在含耗能梁段钢框筒的初步设计中,可根据均匀分布、SRSS分布、高度等效分布初选构件截面,最后宜采用时程分析对截面进行校核。     

Q235剪切型耗能梁段超强系数的建议

含可更换剪切型耗能梁段钢框筒是一种耗能性能良好的结构,利用位于部分裙梁跨中的耗能梁段集中塑性变形,有利于震后损坏耗能梁段的快速替换和结构功能的快速恢复。在整体结构的设计和性能分析中,Q235耗能梁段的超强系数和剪切铰模型至关重要。利用SAP2000软件设计了一个30层原型结构,通过试验验证了有限元建模方法的正确性,比较了两种子结构的性能,基于简化的子结构考察了柱轴压比、耗能梁段长度比的影响,以及Q235剪切型耗能梁段的屈服和抗拉强度不同组合下的超强系数,对耗能梁段的剪切铰参数进行了建议。研究表明:随着子结构柱轴压比的增大,子结构的水平力逐渐减小,但耗能梁段的滞回性能基本不变;建议用于钢框筒中的剪切型耗能梁段的长度介于1/8～1/4柱中心线距离,且耗能梁段的长度比建议采用0.79～1.30;长度比为0.79, 0.96, 1.13, 1.30和1.46的Q235耗能梁段的平均超强系数分别为1.62, 1.58, 1.57, 1.52和1.47,钢材的抗拉强度对耗能梁段的超强系数影响较小;用于剪切型耗能梁段端部连接设计的剪力可取1.3倍的预期受剪承载力。     

剪切屈服型可更换耗能梁的抗震性能研究

针对传统结构震后修复能力不足,带可更换构件的混合框架结构体系在地震作用下,可更换耗能构件集中损伤和耗散地震能量,保护其他构件不损伤或轻微损伤,更换损伤的耗能构件,即可实现结构预定功能震后可恢复。通过3个可更换耗能梁试件,研究其抗震性能。在此基础上,通过SAP2000有限元建模,对带可更换构件的混合框架结构进行非线性分析,研究整体结构体系的屈服机制、承载力和可更换耗能构件的可更换性能。结果表明:试件均发生剪切屈服型破坏,破坏特征包括腹板－加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂。各试件的滞回曲线非常饱满,具有优异的承载能力、变形能力和耗能能力;在地震作用下,带可更换构件的混合框架结构体系中各构件能够实现良好的有序屈服机制,可更换耗能构件具有较好的可更换性。     

低周往复荷载作用下自复位钢框架抗震性能研究

建立了1榀2跨3层以角钢为耗能元件的自复位钢框架结构有限元分析模型,详细介绍了模型的模拟与分析方法。钢绞线的预应力采用等效降温法施加,通过钢绞线提供的回复力可使结构在震后具有自复位能力。在加载过程中,为确保结构的自复位能力,预应力钢绞线要保持弹性。对结构模型施加由位移控制的往复荷载,并通过改变结构的初始预应力值及钢绞线的数量分析参数的改变对结构自复位性能及耗能能力的影响。分析结果表明:与传统钢框架相比,自复位钢框架的震后残余位移明显减小;在4%的层间位移角下,自复位钢框架梁柱及钢绞线均保持弹性状态,结构通过角钢的塑性耗散能量,震后框架具有自复位能力。     

钢结构抗侧力体系抗震性能对比

常见的钢结构抗侧力体系包括抗弯钢框架、偏心支撑钢框架和钢板剪力墙结构,它们的耗能构件分别为框架梁、耗能梁段以及内填钢板。现行规范采用基于强度的设计方法,不能保证结构的整体破坏模式,无法对各抗侧力体系进行横向比较。采用近年来的性态设计方法,设计了3组10层抗弯框架、偏心支撑钢框架和钢板剪力墙模型,进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析,对比了各抗侧力体系的承载能力、抗侧刚度、延性、层间侧移分布、破坏模式以及用钢量。对比结果表明:抗弯钢框架承载力和刚度最小,偏心支撑钢框架的延性最好,钢板剪力墙虽然承载力最高,但是延性却是最低。     

可更换剪切钢板阻尼器偏心支撑框架分析

针对偏心支撑框架体系耗能梁段震后修复难度大、经济性差的问题,提出了采用剪切钢板阻尼器作为可更换耗能梁段的偏心支撑结构体系。采用ABAQUS有限元软件对国外已完成的可更换耗能梁段偏心支撑试验进行结构分析,验证了有限元建模的正确性,分别对不同腹板宽厚比、腹板钢材屈服强度、腹板加劲肋设置情况下的剪切钢板阻尼器K型、D型偏心支撑钢框架进行结构分析,研究了耗能梁段的变形机制、滞回耗能能力以及局部失稳、局部破坏形态。分析结果表明:剪切钢板阻尼器作为耗能梁段是可行的,阻尼器首先发生屈服,起到了主要耗能作用,在实际工程应用中建议剪切钢板阻尼器腹板宽厚比宜小于30,腹板钢材宜采用软钢及低屈服点钢,采用加劲肋来保证阻尼器不发生平面外屈曲。     

高强钢筋高延性纤维增强混凝土框架结构的屈服机制和抗震性能

为了对混凝土框架结构的地震破坏机制和抗震性能进行控制,在框架柱中配置高强钢筋,并将纤维增强混凝土(FRC)用于框架结构的预期损伤部位。结构柱中的高强钢筋用来减小结构的残余变形,FRC材料用来增加结构的耗能能力和损伤容限。设计了三个框架,采用动力弹塑性时程分析方法进行分析。研究结果表明,采用高强钢筋提高了结构的整体承载能力,在层间侧移角达到3%之前避免了柱铰的出现(包括底层柱底),并且减小了结构的残余变形;预期损伤部位采用FRC材料能够提高结构的塑性耗能。     

基于能量耗散的多层木结构古建筑的地震破坏评估

以西安城墙永宁门箭楼为研究对象,评估震后多层木结构古建筑的破坏程度,根据各主要耗能构件在低周水平反复荷载作用下的滞回耗能特性,计算其构件破坏总耗能;根据地震模拟振动台试验,计算不同地震工况下各耗能构件所耗散的能量,在此基础上建立主要耗能构件相应的破坏模型。对三个主要耗能部位:柱架榫卯节点、斗栱结构层和柱础进行地震破坏状态评估;引入能量分配系数建立主要耗能构件破坏状态与整体结构破坏状态之间的关系,继而得出整体结构的破坏系数以反映整体结构在不同地震作用下的破坏状态,研究结果可为多层木结构古建筑的抗震加固提供参考借鉴。     

基于IDA的多层钢筋混凝土框架残余侧移分析

利用Open Sees非线性有限元软件对6层钢筋混凝土平面框架结构进行数值模拟。首先选取24条地震动记录,通过对比分析两个不同地震动强度指标对残余侧移响应离散性的影响,选取合理的地震动强度指标。然后采用Sa(T1,5%)调整24条地震动记录,使其成为具有多重强度水平的地震动记录。对该模型进行增量动力分析,得到各层的残余层间侧移角和最大层间侧移角并比较残余侧移和最大侧移的分布规律,分析了结构的残余侧移随最大侧移的变化过程以及两者的相关系数,发现两者的相关性较好,这表明可以根据震后残余层间侧移角估计最大层间侧移角。另外,也分别分析了基于弹塑性层间侧移角限值和倒塌临界状态的残余层间侧移角概率分布,结果表明结构的最大层间侧移角达到抗规限值0.02后,结构仍然有较大的塑性变形发展。     

D型耗能器偏心支撑结构的抗震性能试验研究

偏心支撑结构是一种高烈度地震区高层建筑钢结构合理的抗侧力体系,本文针对目前偏心支撑结构存在的不足,提出一种新型的框架支撑形式——耗能器偏心支撑;并将该单斜杆(D型)耗能器偏心支撑与支撑斜杆上不加设耗能器的D型偏心支撑结构进行了对比试验。验证了该新型框架支撑形式不仅可以减少耗能梁段吸收的地震能量,而且可以减小耗能梁段的破坏程度,从而减少震后修复工作量;它具有很好的变形能力和足够的抗侧移能力。文中同时给出了设计方法,并提出了改进措施。     

耗能段腹板高厚比对Y型偏心支撑钢框架滞回性能影响的试验研究

Y型偏心支撑钢框架是偏心支撑结构中抗震耗能的结构形式之一,为了研究Y型偏心支撑钢框架中耗能梁段腹板高厚比对结构滞回性能的影响,进行了2榀1/3缩尺Y型偏心支撑钢框架的低周反复荷载试验.本文主要介绍了试验过程,分析了Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力.试验结果表明:Y型偏心支撑钢框架延性好、耗能能力强,耗能梁段腹板高厚比的改变对Y型偏心支撑钢框架强度、刚度以及耗能能力具有较大的影响.耗能梁段腹板高厚比设计得合理,Y型偏心支撑钢框架侧向刚度较大,可以满足在小震或中震作用下的结构变形要求,在大震作用下提供良好的变形能力和耗散地震能量的功能.     

直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究

K形高强钢组合偏心支撑(K-HSS-EBF)是指耗能连梁和支撑采用Q345钢,而框架梁、框架柱采用高强度钢(如Q460)。为研究其在罕遇地震作用下的抗震性能,在试验研究的基础上,采用直接基于位移的抗震设计方法设计了5层、8层和12层算例,分别进行静力推覆分析和动力弹塑性分析,研究高强钢组合偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下层间侧移分布和破坏模式。研究结果表明:直接基于位移的抗震设计方法设计的算例在罕遇地震作用下,结构的层间侧移满足我国现行抗震规范的要求,结构呈理想的渐进式梁铰屈服机构,并证明该设计方法的合理性和可靠性。     

自复位平面钢框架推覆分析

运用ABAQUS有限元软件对一榀四层两跨平面钢框架进行静力弹塑性分析,分别计算钢材强度为Q345、Q420和Q460三榀自复位钢框架,探讨自复位平面钢框架的抗震性能,并着重讨论钢材强度对自复位性能的影响。结果表明,钢材强度的提高对减小结构塑性、残余侧移有较明显的作用,但未彻底避免柱底塑性的产生。对相对内转角和摩擦耗能也有一定影响,但是对钢绞线预应力影响不大。     

强震作用下钢框架结构的残余侧移研究

根据现行规范设计的钢框架结构在强震作用下会产生较大的不可恢复的塑性变形,震后残余变形过大的结构往往无法修复到正常使用状态,最终只能被拆除,造成了严重的直接以及间接经济损失,因而准确分析结构的残余变形对于震后结构性能的评估与控制具有重要意义。为了研究钢框架结构在强震作用下的残余侧移,本文根据现行抗震设计规范和钢结构设计规范设计了2至10层的5个钢框架结构,分别采用静力非线性和动力时程分析方法对所设计结构进行了数值分析,得到了结构在中震和大震作用下的峰值侧移、残余侧移和侧移集中系数。结果表明,所得的残余侧移具有较大的离散性。基于分析结果,提出了预测钢框架结构残余侧移的计算公式,该公式为峰值侧移、弹性侧移以及侧移集中系数的函数。     

基于性能的联肢钢板剪力墙抗震设计与评估研究

联肢钢板剪力墙能通过连梁耗能实现多重抗侧体系,其优良的抗震性能被越来越多的学者研究论证。本文基于能量平衡原理和Chao和Goel提出的弹塑性层剪力分布模式,预设目标侧移及屈服机制等性能参数,归纳出完整的联肢钢板剪力墙结构塑性设计流程,并采用该方法基于8度(0.3g)抗震设防条件下设计了12个联肢钢板剪力墙结构算例。利用有限元分析软件ABAQUS对结构进行了Push-over分析,研究了刚度退化、构件屈服顺序和结构整体变形等方面的结果。结果表明：设计算例能够实现多重抗震机制,并满足预期性能目标。     

带可替换腹板连接型耗能梁段的恢复力模型研究

带可替换耗能梁段的偏心支撑钢框架具有震后修复方便、经济等优点,但目前国内外学者对该类型的研究很少。为此,设计16组与偏心支撑钢框架采用螺栓连接的腹板连接型耗能梁段,并对16组试件进行数值模拟分析,讨论截面尺寸、耗能长度、加劲肋间距、加劲肋布置以及综合参数等变化参数对腹板连接型耗能梁段在低周往复荷载作用下的滞回性能、骨架曲线的影响,建立腹板连接型耗能梁段简化的恢复力模型。结果表明,影响腹板连接型耗能梁段耗能的主要参数是截面尺寸,建立的恢复力模型与模拟的骨架曲线对比吻合较好,可以为此类耗能梁段弹塑性分析作为参考。     

抗震耗能机构的优化算法及其应用

本文建立了用于结构弹塑性时程分析的耗能机构参数优化方法，通过约束条件限制结构体系在整个地震时程中的最大层间位移角和层间侧移延性比，用多层复形法对摩擦耗能机构参数进行优化。本文方法可靠、实用，用于耗能机构的抗震结构参数设计非常有效。     

钢框架结构直接基于位移的抗震设计方法研究

将钢框架结构按其性能划分为使用良好、人身安全、防止倒塌三个水平,并用层间侧移角予以量化采用钢框架的最大层侧移模式来确定其目标侧移曲线在等效线性化的前提下,由等效位移用弹性位移反应谱求出等效周期,然后对构件进行刚度设计和承载力设计用静力弹塑性分析方法对结构进行分析,校核其实际侧移曲线与满足性能目标的侧移曲线是否一致.采用...