焊接工字形钢支撑低周疲劳性能及其应用研究

摘要

框架-中心支撑体系是常用的双重抗侧力体系之一，但设计不当的框架-中心支撑结构在罕遇地震中易遭到严重破坏。钢支撑的滞回性能是影响该体系抗震性能的关键因素，由于钢支撑的滞回行为十分复杂，虽然国内外已做了大量的研究工作，但尚没找到一种既准确又实用的能考虑其低周疲劳性能的模拟方法，阻碍了对该体系的抗震性能的深入研究。本文对工字形钢支撑低周疲劳及耗能性能开展了试验研究，针对现有支撑模拟方法及支撑低周疲劳损伤研究的不足提出了改进办法，并利用经二次开发的通用有限元软件 ANSYS，对框架-中心支撑体系研究中存在的若干关键性问题展开初步探索。
　　进行了铰支焊接工字形支撑在不同特征的循环轴向位移荷载下的低周疲劳试验研究。研究发现支撑翼缘直到断裂的疲劳损伤发展过程可分为可见裂纹萌生，穿透裂纹形成和穿透裂纹扩展3个阶段，并根据试验数据提出了估算支撑构件疲劳寿命和循环耗能的经验公式。统计分析表明，裂纹萌生疲劳寿命与弹塑性局部屈曲密切相关，当支撑翼缘的宽厚比越小，支撑的长细比越大时，其裂纹萌生疲劳寿命就越长，其耗能性能也越高。试验还表明循环荷载的位移幅值是支撑疲劳损伤及耗能退化的最主要影响因素，过载峰效应及适当的平均压位移幅值可改善钢支撑低周疲劳及耗能性能。
　　采用主应变、最大剪应变及Brown-Miller组合应变3种临界面疲劳损伤模型预测钢支撑低周疲劳损伤及裂纹萌生寿命，通过与试验结果的对比分析表明，3种临界面模型均可用于研究钢支撑低周疲劳累积损伤分布，且低周疲劳寿命的预测结果均偏于安全。
　　将3节点Timoshenke梁元用于钢支撑循环轴向加载试验及3层框架-中心支撑结构振动台试验模拟，验证了该方法的可靠性。分别提出了以钢支撑轴向位移和塑性应变能为损伤参量的钢支撑低周疲劳损伤评估经验方法，分析结果表明：两种方法均具有较好预测精度。通过有限元程序 ANSYS的二次开发，实现了框架支撑体系中支撑低周疲劳失效评估功能，为框架-中心支撑结构在弹塑性阶段的抗震性能研究提供了条件。
　　在比较有关规范的基础上，研究了钢支撑设计承载力验算方法、支撑杆件长细比和板件宽厚比限值、钢框架部分抗剪能力调整要求以及V形和人字形支撑不平衡力对框架梁调整要求等四个因素对框架中心支撑体系第一阶段抗震性能的影响规律，并得到了一些有意义的结论。
　　对普通中心支撑框架结构和特殊中心支撑框架结构在弹塑性阶段的抗震性能展开初步探索。结果表明，钢支撑低周疲劳失效对普通中心支撑框架结构抗震性能影响较大；与普通中心支撑框架结构相比，特殊中心支撑框架的抗震性能更为优良，是一种值得在我国高层建筑钢结构中推广的抗震结构形式。
　　本论文受到国家自然科学基金重大项目59895410和建设部科技攻关项目97-07-01的资助，深表谢意。

目录

焊接工字形钢支撑低周疲劳性能及其应用研究

LOW-CYCLE FATIGUE BEHAVIOR AND APPLICATION OF WELDED I-SECTION BRACING MEMBERS

摘要

Abstract

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及其目的和实际意义

1.2 国内外的研究现状及分析

1.3 钢支撑及框架-中心支撑体系研究存在的几个问题

1.4 课题主要工作及研究方法

第 2 章 焊接工字形钢支撑低周疲劳性能试验研究

2.1 概述

2.2 焊接工字形钢支撑低周疲劳试验设计

2.3 试验现象

2.4 钢支撑几何特征参数对疲劳及耗能性能的影响

2.5 本章小结

第 3 章 基于不同荷载特征的焊接工字形钢支撑低周疲劳试验研究

3.1 引言

3.2 试验概况

3.3 试验现象

3.4 加载幅值的影响

3.5 平均幅值的影响

3.6 加载次序的影响

3.7 不同特征循环位移荷载下最大抗压承载力评估

3.8 本章小结

第 4 章 焊接工字形钢支撑低周疲劳损伤预测分析

4.1 引言

4.2 板壳结构大应变非线性有限元模拟

4.3 钢支撑滞回行为的有限元模拟

4.4 多轴低周疲劳寿命预测

4.5 焊接工字形钢支撑低周疲劳损伤及寿命预测

4.6 本章小结

第 5 章 钢支撑及框架-中心支撑结构地震响应模拟方法

5.1 引言

5.2 现有钢支撑滞回行为模拟方法

5.3 钢支撑循环轴向加载试验模拟

5.4 框架-中心支撑结构振动台试验分析

5.5 本章小结

第 6 章 钢支撑低周疲劳损伤评估方法及其运用

6.1 引言

6.2 基于轴向位移的钢支撑疲劳损伤评估方法

6.3 基于塑性应变能的钢支撑疲劳损伤评估方法

6.4 基于ANSYS平台的有限元程序二次开发

6.5 本章小结

第 7 章 框架-中心支撑体系抗震性能初探

7.1 引言

7.2 框架-中心支撑结构设计的有关规范比较

7.3 支撑承载力验算方法对框架-中心支撑结构地震响应的影响

7.4 支撑杆件长细比限值对框架-中心支撑结构地震响应的影响

7.5 支撑不平衡力调整对框架-中心支撑结构地震响应的影响

7.6 框架抗剪能力调整对框架-中心支撑结构地震响应的影响

7.7 框架-中心支撑结构的非线性地震反应初探

7.8 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历