带可替换剪切连接件的防屈曲偏心支撑钢框架动力弹塑性分析

摘要

偏心支撑钢框架是一种理想的抗震结构，常应用于中、强震地区，其作用机理是将结构中的某一部分构件作为抗震的防线，耗散地震能量，从而达到削弱地震响应的作用。但是，对于传统的偏心支撑框架，为了保证在地震作用下耗能梁段处于弹塑性而其他构件保持在弹性阶段，有时不得不增大梁柱和支撑的截面，从而导致了用钢量的增加，不经济实用。因此，将可替换剪切连接件与框架梁分离设计，形成了带可替换剪切连接件的偏心支撑钢框架结构，将结构的非弹性变形集中于可替换剪切连接件上，便于震后替换修复。 本文首先对3个不同层数的带可替换剪切而连接件的防屈曲偏心支撑钢框架缩尺模型进行了单向地震作用下的小振动台试验，并验证了有限元的正确性，然后对27个不同参数的有限元模型进行了动力时程非线性分析，分析研究了剪切连接件的长度、截面尺寸、加劲肋个数和结构层高等参数对带可替换剪切连接件的防屈曲偏心支撑钢框架的加速度放大系数、位移响应和基底剪力等力学性能的影响。经过分析研究，得到以下结论： （1）在多遇地震作用下，可替换剪切连接件作为耗能元件利用其自身的弹塑性变形耗散地震能量，从而保证防屈曲支撑和主体框架处于弹性工作状态；在罕遇地震作用下，可替换剪切连接件以腹板全截面剪切屈服进行地震能量耗散，保证框架结构梁柱有足够的强度和刚度，不致出现失稳倒塌且仍旧能拥有足够的抗侧能力。 （2）通过模型试验研究表明，可替换剪切连接件的变形主要以剪切错动为主，并随着地震烈度的增大而增大，随着楼层的升高其变形逐渐减小；框架底层剪切连接件应力最大；加速度放大系数随着楼层的上升而增大，相同楼层随着地震烈度的增大而变小。 （3）通过有限元对带可替换剪切连接件的防屈曲支撑钢框架和传统偏心支撑钢框架进行对比，在相同的地震作用下，传统偏心支撑钢框架的位移响应和加速度反应均较大，耗能梁段变形对周边构件影响明显，可替换剪切连接件的加入减小了框架各层的侧移，缓解了各层的地震响应，在发生全截面屈服的同时保障了其它构件不受影响，提高了框架的整体抗震性能。 （4）通过有限元数值模拟的参数分析，可替换剪切连接件的长度越长，钢框架的变形越大，层间位移和柱顶加速度反应越大；高厚比的增大、加劲肋间距的减小可以适当提高结构的抗侧刚度，使得应力应变分布更加均匀；可替换剪切连接件的长度取1.11~1.34倍的Mp/Vp时，加劲肋间距取0.53~0.73倍的腹板高度时，剪切连接件的塑性变形较充分，主体框架和支撑的受力也较合理。 （5）带可替换剪切连接件的防屈曲偏心支撑钢框架在地震作用下塑性铰的产生顺序为：当层间位移角达到1/250时，可替换剪切连接件产生局部塑性；当层间位移角达到1/50时，可替换剪切连接件腹板全截面屈服进入塑性；当层间位移角达到1/30时，可替换剪切连接件产生塑性铰，防屈曲支撑局部产生塑性变形，主体框架柱脚处产生局部屈服，但未完全形成塑性铰。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1偏心支撑钢框架国内外研究现状

1.1.2防屈曲支撑国内外研究现状

1.1.3 可替换剪切连接件国内外研究进展

1.2 已有研究存在的问题

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2研究思路及技术路线

1.3.3课题的创新性

第2章 带可替换剪切连接件的防屈曲偏心支撑钢框架的基本理论

2.1 偏心支撑钢框架的工作原理

2.2 双钢管防屈曲支撑的理论研究

2.2.1 防屈曲支撑的基本构造

2.2.2 防屈曲支撑的理论研究

2.3 可替换剪切连接件的基本研究原理

2.3.1 可替换剪切连接件的基本原理

2.3.2 可替换剪切连接件的相关研究

第3章 带可替换剪切连接件的偏心防屈曲支撑钢框架的模型设计

3.1 模型设计方案

3.2 可替换剪切连接件的设计

3.3 双钢管防屈曲支撑设计

3.4 模型缩尺理论及设计

3.4.1相似理论

3.4.2似量纲分析

3.4.3试验模型的相似比

3.4.4原型结构简化

3.5 地震波的选取

3.5.1 地震波的选取原则

3.5.2地震波的选取和调整

3.5.3加载方式的确定

3.6本章小结

第4章 带可替换剪切连接件防屈曲支撑钢框架振动台试验研究

4.1 试验概况

4.1.1 相似设计

4.1.2 试件制作

4.1.3 试件加载方案

4.2 试件测点布置及数据采集

4.2.1 应变测点布置

4.2.2 位移和加速度传感器布置

4.2.3 数据采集

4.3 试验过程及试验现象

4.4 应力分布及分析

4.5 位移反应及分析

4.6 加速度反应及分析

4.7有限元验证分析

4.7.1应力分布对比

4.7.2位移响应对比

4.7.3加速度放大系数对比

4.8本章小结

第5章 带可替换剪切连接件防屈曲偏心支撑钢框架有限元分析

5.1 基本概况

5.1.1几何模型的建立

5.1.2材料属性和本构关系

5.1.3定义实体单元

5.1.4定义分析和输出参数

5.1.5荷载施加和网格划分

5.2 破坏准则

5.3 参数变量对比

5.4与传统偏心支撑钢框架对比分析

5.4.1顶层侧移对比

5.4.2层间位移对比

5.4.3加速度响应对比

5.4.4基底剪力对比

5.5剪切连接件长度分析

5.5.1楼层侧移对比

5.5.2加速度响应对比

5.5.3应力对比

5.6加劲肋变化分析

5.6.1顶层侧移对比

5.6.1层间位移对比

5.7层数影响分析

5.7.1加速度放大系数对比

5.7.2层间位移角对比

5.8本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录 A攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B攻读学位期间所参与的项目