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。     

基于能力设计原理的双肢剪力墙极限承载力研究

通过对双肢剪力墙的静力推覆分析(Push-over分析)揭示其极限状态的多种形式并提出连梁强度折减系数K,对在理想极限状态下的连梁剪力超强进行折减,得出对应于不同极限状态下连梁对墙肢轴力的改变量,可用于双肢剪力墙结构超强的整体计算,为带转换层的高层建筑转换结构的能力设计提供了理论基础。     

带钢桁架连梁的框架剪力墙结构振动台试验研究

钢桁架连梁作为一种新型的连梁形式,具有优良的延性与耗能性能,而采用钢桁架连梁的建筑结构,其整体抗震性能尚需进一步研究。通过对一幢12层带钢桁架连梁的框架剪力墙结构1∶15比例模型的地震模拟振动台试验,研究了该结构的动力特性与地震响应。结果表明,钢桁架连梁具有足够的刚度,能够有效连接剪力墙,使得该结构具有良好的变形能力,能够满足延性设计要求。因此,带钢桁架连梁的框架剪力墙具有良好的抗震性能。     

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。     

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。     

双向单排配筋剪力墙与连梁节点的抗震性能试验研究

双向单排配筋剪力墙结构适用于多层住宅结构。为探讨双向单排配筋剪力墙与连梁节点的抗震性能,进行了4个连梁剪跨比分别为0.60、0.75、1.50、1.75的原型节点试件的低周反复荷载试验,在试验研究的基础上,较系统地分析了节点的承载力、刚度及其退化过程、延性性能、破坏特征等。试验研究表明,双向单排配筋剪力墙与连梁节点的抗震性能可满足多层住宅结构抗震要求。     

填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析

高层结构中的填充墙在地震作用下与周围结构构件之间的相互作用十分复杂,对建筑结构的整体抗震性能具有较大影响。然而我国规范在设计阶段通常不考虑填充墙对结构抗震性能的影响,统一采用周期折减系数来考虑其刚度变化引起的内力变化,因此准确评估填充墙对结构抗震性能的影响具有重要意义。本文在对一栋框-剪结构和一栋剪力墙高层建筑进行随机振动测试的基础上,利用Perform-3D对每栋高层分别建立了3种分析模型。其中对未考虑填充墙作用的结构模型,分别采取规范建议值和实测结果值两种方式进行周期折减。对通过添加斜撑单元来考虑填充墙作用的结构模型,利用环境激励测试识别获得的结构模态信息进行模型修正。对该3种模型进行了增量动力分析,探讨潜在危险性水平地震作用下填充墙对高层建筑抗震性能的影响。结果表明,填充墙增加了结构在弹性阶段的整体初始刚度,但随着地震动强度的增加逐渐丧失对结构刚度的贡献作用。相比考虑了填充墙作用的模型计算结果,规范建议的周期折减系数较为保守。同时研究发现,填充墙对高层框-剪结构的影响程度要比剪力墙结构大。     

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。     

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。     

小跨高比带楼板半通缝连梁抗震性能有限元分析

为了缓解联肢剪力墙中小跨高比连梁发生低延性的剪切破坏,增强连梁的变形和耗能能力,可在单连梁中轴线位置设置半通缝并配置交叉斜筋,形成半通缝连梁。本文完成了的对7种连梁的模拟,分析了在小跨高比、低周反复荷载作用条件下不同类型带楼板连梁的承载力、变形能力、刚度退化和耗能能力以及不同跨高比、不同开缝位置对带楼板半通缝连梁抗震性能的影响。结果表明:楼板会使半通缝连梁的剪压比增大,延性下降;但相比于普通连梁和双连梁,半通缝连梁具有较好的变形能力和承载力,可在实际中推广。     

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。     

错位转换层位置对高层建筑竖向构件受力性能影响的研究

作为一种新型转换层结构——错位转换层结构,其竖向位置的移动对高层结构在水平地震作用下竖向构件受力性能有何影响目前尚未见文献报道。采用有限元程序对高层带错位转换层结构进行了水平地震作用下的时程反应和反应谱分析．分析了上部转换层和下部转换层相对位置保持不变的情况下．整体改变错位转换层位置对结构地震作用、剪力及竖向构件内力的影响。分析研究发现。错位转换层整体位置的竖向移动对结构整体剪力、上部转换层下承托墙肢内力、上部转换层框支剪力墙内力影响不大．但对落地剪力墙、上部转换层下框支柱和下部转换层梁托柱内力有较大影响。     

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。     

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。     

内藏不同高宽比分块钢板双肢剪力墙抗震性能试验研究

内藏分块钢板双肢剪力墙是由钢管混凝土边框、型钢混凝土叠合暗柱、墙肢内藏分块钢板、连梁内藏钢板、混凝土墙体、混凝土连梁等构件组成。对4个1∶5缩尺,剪跨比为1.68,轴压比为0.3的组合双肢剪力墙试件进行了低周反复荷载试验。研究不同内藏钢板布置形式、不同钢板用钢量对试件抗震性能的影响,考察了内藏分块钢板双肢剪力墙的破坏形态、滞回特性、刚度、变形及耗能能力,分析了剪力墙各部件在水平荷载作用下的合理屈服破坏顺序。试验结果表明:4个试件均发生弯剪型破坏,内藏分块钢板双肢剪力墙相比于钢管混凝土边框双肢剪力墙整体抗侧刚度大,具有较强的耗能能力、变形能力及延性,对抗震有利;分块钢板参数选择对双肢剪力墙抗震性能影响明显。     

含型钢边缘构件混合连肢墙结构抗震性能试验研究

为研究含型钢边缘构件混合连肢墙结构的抗震性能,进行了1个5层1/3缩尺模型试件低周反复加载试验.模型试件的耦连比为30％,根据底部剪力法采用三质点倒三角形加载形式.通过分析试件在循环荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、刚度退化、延性及结构的耗能能力等,得到结构的破坏机理,并对结构抗震性能进行了评价.试验结果表明:该结构体系通过钢连梁的剪切变形和墙肢底部的塑性铰变形来耗散能量,能够明显改善钢筋混凝土双肢剪力墙的抗震性能;但是耦连比为30％时,墙肢混凝土裂缝较为集中,破坏主要出现在底部两层,建议提高耦连比进行进一步研究.     

型钢高强混凝土短肢剪力墙-连梁节点抗震性能试验研究

通过4个型钢高强混凝土短肢剪力墙-连梁节点试件和1个高强混凝土短肢剪力墙-连梁节点试件的低周反复荷载试验,主要研究配钢形式、轴压比和连梁结构类型对节点的滞回特性、变形能力及耗能能力等性能的影响。结果表明:型钢高强混凝土短肢剪力墙-连梁节点的滞回曲线饱满,承载力、刚度以及抗震性能较高强混凝土短肢剪力墙节点均有所改善,所有试件的延性均小于3,极限层间位移角均小于1/100,等效黏滞阻尼系数在0.17～0.24之间,表现出其延性和抗倒塌能力较差,耗能能力较好。     

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。     

带现浇楼板钢框架-剪力墙结构的拟动力试验研究

为研究楼板平面内刚度对整体结构抗震性能的影响,对一个3层2跨的钢框架-剪力墙结构进行了等效单自由度拟动力试验研究。着重分析了该钢框架-剪力墙结构的破坏机制、耗能性能及变形恢复能力,从而掌握该钢框架-剪力墙结构的抗震性能。结果表明,现浇混凝土楼板刚性可以保证结构的空间整体性和水平力的有效传递,该组合结构体系具有良好的抗震性能。最后通过对刚度比系数R的分析,得到该组合结构体系能保证剪力的有效传递,特别是在强震作用下,能够使不同抗侧力构件协同工作,剪力墙承担80%以上的地震剪力。     

不同可替换构造钢连梁抗震性能研究

为实现剪力墙结构或框剪结构的震后快速修复,在钢连梁中采用震损可替换技术;采用ABAQUS软件对不同可替换构造的钢连梁进行数值仿真,研究不同跨高比下试件的抗震性能。研究表明:当跨高比较小时(≤2),由于受剪需求较高,采用摩擦端板连接构造的钢连梁比采用传统拼接板构造的钢连梁更容易形成受力明确的屈服耗能段,同时具有更大的初始刚度、强度和更稳定的滞回高能性能;随着跨高比增大(3),采用摩擦端板连接构造的钢连梁由于端板和螺栓的变形较大,抗震性能受到一定程度的削弱,增长摩擦端板并加设螺栓的构造能有效限制端板之间的相对变形,对试件抗震性能有明显的改善。而采用传统拼接板构造的钢连梁则具有更高的刚度和强度。在参数分析的基础上,对满足不同工程需求的可替换钢连梁连接构造提出建议,其研究成果可为建筑工业化和震后快速修复提供借鉴。