新型预拉杆式自定心BRB结构的抗震性能与设计方法

摘要

预拉杆式自定心屈曲约束支撑(Self-centering Buckling-Restrained Brace，SC-BRB)具有良好的耗能能力和自定心性能，能够有效提高结构的震后可修复性。已有的SC-BRB构造在强地震作用下，预拉杆仍可能屈服甚至断裂从而影响结构的可修复性和安全性。同时，当预拉杆无法满足结构变形需求或相邻抗弯框架屈服时，均会导致结构产生一定的残余变形，而目前SC-BRB框架基于性能的设计方法仅考虑最大变形，未将残余变形纳入设计性能目标，难以确保结构震后的可修复性。
　　针对上述问题，本文进行了如下工作。
　　(1)提出增大支撑变形能力和提高初始刚度可控性的新型预拉杆式SC-BRB的概念与构造。针对现有SC-BRB对预拉杆的弹性延伸率需求较高，和套管长度加工误差会显著改变支撑初始刚度的问题，分别给出相应改进措施，建立了新型预拉杆式SC-BRB的概念，提出增大支撑变形能力的措施(摩擦保险装置或串联式SC-BRB)和提高支撑初始刚度可控性的措施（橡胶夹层端板），深入分析其工作机理和力学行为，并建立适用于新型预拉杆式SC-BRB构件的构造设计方法和设计流程。
　　(2)预拉杆和摩擦保险装置的性能试验研究。对玄武岩纤维筋(Basalt Fiber-ReinforcedPolymer, BFRP)预拉杆和摩擦保险装置进行性能试验，结果表明:BFRP筋的极限延伸率超过2.5％，且性能较为稳定，但预拉杆循环拉伸时会由于锚具中的锚固胶体变形引起预张力的损失;本文基于试验结果给出锚固胶体变形与应力差值的回归公式，可用于评估SC-BRB震后的预张力损失;摩擦保险装置在保证较大摩擦面积和避免摩擦面锈蚀的前提下，滑动摩擦力受加载制度变化的影响很小，性能十分稳定。
　　(3)新型预拉杆式SC-BRB支撑试件的拟静力试验。设计并加工了4根分别采用不同改进措施的新型预拉杆式SC-BRB试件，结果表明:未采用增大支撑变形能力措施的SC-BRB试件在预拉杆超过应变极限断裂后，支撑的承载力出现陡降，残余变形增大到位移幅值的90％;摩擦保险装置能保证SC-BRB试件达到对应4％层间位移角的轴向变形而不出现破坏，并使支撑具有一定的自定心能力;当支撑轴向变形相同时，串联式SC-BRB的构造形式既能减小预拉杆弹性延伸率一半需求，也不会影响支撑的自定心性能;采用橡胶夹层端板能够有效降低套管长度误差的影响，提高支撑初始刚度的可控性。
　　(4)新型预拉杆式SC-BRB支撑滞回性能的数值模拟。采用ABAQUS有限元分析软件建立新型预拉杆式SC-BRB的精细有限元模型，通过与试验结果的对比验证了模型的正确性，并在此基础上分析了关键参数对支撑滞回性能的影响。基于流变分析理论，建立能够模拟受橡胶夹层端板和套管长度误差影响的不同预拉杆材料SC-BRB滞回性能的弹塑性分析模型。
　　(5) SC-BRB框架抗震性的参数化分析。基于结构的恢复力模型和运动方程，分别确定影响SC-BRB铰接钢框架（即梁、柱铰接的SC-BRB框架）和SC-BRB双重体系框架（即由抗弯框架和SC-BRB铰接钢框架组成的SC-BRB框架）动力响应的关键参数。采用OpenSees软件建立两种形式SC-BRB框架的简化杆系模型，通过时程分析研究关键参数对结构抗震性能的影响规律，并给出结构设计时各参数的取值建议。
　　(6) SC-BRB框架的非线性位移比谱和残余位移比谱公式的建立。基于SC-BRB框架单自由度体系模型，研究关键参数对其非线性位移比和残余位移比的影响规律。分别对SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架进行162000次和486000次单自由度体系时程分析，在此基础上通过多元非线性回归，建立分别适用于SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架的非线性位移比和残余位移比公式，可用于结构地震时的位移评估和抗震设计。
　　(7)以最大层间位移角和残余位移角为双控指标，建立SC-BRB框架基于震后可修复性的抗震设计方法。研究了高阶模态效应和P-△效应对不同层数SC-BRB框架地震位移响应的影响，分别给出结构最大变形和残余变形的高阶模态放大系数回归公式，以及P-△效应放大系数参考值。采用最大层间位移角和残余位移角作为双控指标，在非线性位移比与残余位移比公式的基础上，建立适用于SC-BRB框架的基于震后可修复性的抗震设计方法，并分别给出SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架的设计流程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 结构的残余变形与震后可修复性

1．2．2 自定心支撑

1．2．3 自定心支撑结构的抗震性能

1．2．4 基于性能的抗震设计方法

1．3 存在的主要问题

1．4 本文的主要研究内容和思路

参考文献

第二章 新型预拉杆式自定心BRB构件的性能

2．1 引言

2．3 预拉杆式SC-BRB试验中存在的问题

2．3．1 支撑的变形能力较小

2．3．2 支撑试验初始刚度小于理论值

2．4 套管长度误差对支撑初始刚度的影响机理

2．4．1 套管长度误差影响的理论分析

2．4．2 与试验的对比

2．5 新型预拉杆式SC-BRB的构造和工作原理

2．5．1 增大支撑变形能力的措施——摩擦保险装置

2．5．2 增大支撑变形能力的措施——串联式SC-BRB

2．5．3 提高支撑初始刚度可控性的措施——橡胶夹层端板

2．6 新型预拉杆式SC-BRB构件的恢复力模型

2．7 新型预拉杆式SC-BRB构件的构造设计方法

2．8 本章小结

参考文献

3．1 引言

3．2 BFRP预拉杆的试验方案

3．2．1 试件加工

3．2．2 加载制度

3．3 BFRP预拉杆的试验结果

3．3．1 BFRP预拉杆的破坏模式

3．3．2 BFRP预拉杆的力学性能

3．4 循环拉伸时BFRP预拉杆的预张力损失

3．5 摩擦保险装置的试验方案

3．5．1 试件设计

3．5．2 加载制度

3．6 摩擦保险装置的试验结果

3．6．1 试件A试验结果

3．6．2 试件B试验结果

3．7 本章小结

参考文献

第四章 新型预拉杆式SC-BRB的拟静力试验

4．1 引言

4．2 试件设计

4．3 新型预拉杆式SC-BRB试验方案

4．3．1 试验设备与数据采集

4．3．2 加载制度

4．4 SC-BRB-I试验结果

4．4．2 SC-BRB-Ⅰ预拉杆滞回性能

4．4．3 SC-BRB-Ⅰ套管-端板间隙和内力变化

4．4．4 SC-BRB-Ⅰ失效模式

4．5 SC-BRB-Ⅱ试验结果

4．5．2 SC-BRB-Ⅱ预拉杆滞回性能

4．5．3 SC-BRB-Ⅱ套管-端板间隙和内力变化

4．5．4 SC-BRB-Ⅱ失效模式

4．6 SC-BRB-Ⅲ试验结果

4．6．2 SC-BRB-Ⅲ摩擦保险装置2％位移角启动试验整体滞回性能

4．6．3 SC-BRB-Ⅲ预拉杆滞回性能

4．7 SC-BRB-Ⅳ试验结果

4．7．1 SC-BRB-IV整体滞回性能

4．7．2 SC-BRB-Ⅳ预拉杆滞回性能

4．7．3 SC-BRB-Ⅳ套管-端板间隙和内力变化

4．8 新型预拉杆式SC-BRB试验结果汇总

4．9 改进措施的影响

4．9．1 橡胶夹层端板的影响

4．9．2 提高支撑变形能力措施的影响

4．10 本章小结

参考文献

第五章 新型预拉杆式SC-BRB构件滞回性能的数值分析

5．1 引言

5．2．1 BRB模型的验证

5．2．2 自定心体系模型的验证

5．2．3 摩擦保险装置模型的验证

5．2．4 SC-BRB有限元模型的建立

5．3 新型预拉杆式SC-BRB构件滞回性能的参数化分析

5．3．1 橡胶夹层端板的影响

5．3．2 预张力Fp的影响

5．3．3 预拉杆面积的影响

5．3．4 核心板面积的影响

5．4 模拟预拉杆式SC-BRB构件滞回性能的流变模型

5．4．1 总体控制方程

5．4．2 FB的求解

5．4．3 Fs的求解——钱弹性预拉杆的情况

5．4．4 Fs的求解——超弹性SMA预拉杆的情况

5．4．5 滞回性能分析流程

5．5 流变模型与试验结果的对比

5．5．2 钢绞线预拉杆的SC-BRB(SS-SC-BRB)

5．5．3 超弹性预拉杆的SC-BRB(SMA-SC-BRB)

5．6 本章小结

参考文献

第六章 SC-BRB框架抗震性能的参数化分析

6．1 引言

6．2 影响SC-BRB框架动力响应的参数

6．3 SC-BRB框架的设计与地震波选取

6．3．1 框架基本信息

6．3．2 SC-BRB铰接钢框架的设计流程

6．3．3 SC-BRB双重体系框架的设计流程

6．3．4 地震波的选取

6．5 SC-BRB铰接钢框架抗震性能的参数化分析

6．5．1 R的影响

6．5．2 强度比β的影响

6．5．3 第二刚度比αs的影响

6．5．4 第一刚度比αc的影响

6．5．5 摩擦启动位移角θa的影响

6．6 SC-BRB双重体系框架抗震性能的参数化分析

6．6．1 双重体系剪力比ρ的影响

6．6．2 双重体系刚度比αB／M的影响

6．7 本章小结

参考文献

第七章 SC-BRB支撑体系的非线性位移比谱与残余位移比谱

7．1 引言

7．2 非线性位移比谱与残余位移比谱

7．3 SC-BRB支撑体系的参数取值范围

7．4 单自由度模型的建立和地震波的选取

7．5 各参数对SC-BRB支撑体系非线性位移比谱和残余位移比谱的影响

7．5．1 地震作用折减系数R的影响

7．5．2 强度比β的影响

7．5．3 第一刚度比αc的影响

7．5．4 第二刚度比αs的影响

7．5．5 摩擦启动位移角比γ的影响

7．5．6 双重体系刚度比αB／M的影响

7．6 非线性位移比与残余位移比公式回归

7．6．1 SC-BRB铰接钢框架

7．6．2 SC-BRB双重体系框架

7．7 本章小结

参考文献

第八章 SC-BRB框架基于震后可修复性的抗震设计方法

8．1 引言

8．2 高阶模态效应和P-Δ效应的影响

8．2．1 高阶模态效应的影响

8．2．2 P-Δ效应的影响

8．3 SC-BRB框架的性能目标

8．4 SC-BRB框架基于震后可修复性的设计流程

8．4．1 研究现状

8．4．2 SC-BRB铰接钢框架

8．4．3 SC-BRB双重体系框架

8．5 设计算例

8．5．1 四层SC-BRB铰接钢框架

8．5．2 八层SC-BRB铰接钢框架

8．5．3 八层SC-BRB双重体系框架

8．6 本章小结

参考文献

第九章 结论与展望

9．1 全文总结

9．1．2 新型预拉杆式SC-BRB构件的滞回性能

9．1．4 SC-BRB框架基于震后可修复性的抗震设计方法

9．2 论文创新点

9．3 研究展望

附录

作者在攻读博士学位期间发表的论文与学术成果

致谢