预拉杆式自定心屈曲约束支撑框架结构的抗震性能分析

摘要

屈曲约束支撑(BRB)具有良好的耗能能力，是减轻结构震害的有效手段。但由于其屈服后刚度较低，BRB框架在强震作用下易产生较大残余变形，增加了结构震后修复的难度和成本。为解决该问题，可在BRB中引入预拉杆式自定心(SC)系统，形成自定心屈曲约束支撑(SC-BRB)，使支撑同时具有良好的耗能能力与自定心能力。与BRB相比，由于自定心系统的引入，SC-BRB滞回性能参数更多，对支撑框架结构抗震性能的影响机理更为复杂。但目前有关SC-BRB框架抗震性能的研究仍较为匮乏，对于SC-BRB框架的抗震设计方法的研究亦很少，从而限制了SC-BRB的推广与应用。为此，本文分别针对SC-BRB铰接框架和双重体系，考虑不同层数的情况，深入研究关键设计参数对SC-BRB框架抗震性能的影响规律，在此基础上，建立SC-BRB框架直接基于位移的设计方法和流程，主要内容包括:
　　(1)分析了预拉杆式SC-BRB的构造、工作机理及其关键构造参数与滞回力学参数的关系，建立了可用于SC-BRB滞回性能分析的OpenSees精细有限元模型，并结合SC-BRB构件的拟静力试验结果，研究了套管长度误差对自定心系统初始刚度的影响机理，确定了自定心系统初始刚度的变化范围，为后续SC-BRB框架的有限元建模及其参数化分析奠定基础;
　　(2)针对SC-BRB在强震下可能出现的预拉杆断裂问题，研究了支撑端部摩擦装置的设置和模拟，建立了可用于框架抗震性能分析的SC-BRB简化有限元模型;基于美国ASCE7-10规范，设计了4层、8层和12层SC-BRB铰接框架和SC-BRB双重体系算例，通过Pushover分析和非线性时程分析研究了SC系统初始刚度的变化对结构抗震性能的影响，结果表明在SC-BRB结构设计过程中，采用考虑套管长度误差因素的最小SC系统初始刚度是偏安全的;
　　(3)针对SC-BRB铰接框架，选取两组各20条地震波代表设计地震和罕遇地震，通过非线性时程分析，研究了地震作用折减系数R、第二刚度比α，屈服强度比β和摩擦启动位移角θa等参数对不同层数支撑铰接框架主要抗震性能指标的影响规律，结果表明:R值的减小能较大程度减小结构的层间位移和残余位移，建议对短周期和长周期结构分别取6和8;α增大能减小结构的层间位移角，并改善结构变形不均匀程度，建议取值为0.1～0.2;β减小能有效减小结构的层间位移角，但残余位移角会随之增大，建议取为1.0～1.62;θa增大会使结构的残余位移角变小，因此在保证预拉杆不断裂情况下尽可能取大值。
　　(4)针对SC-BRB双重体系开展了抗震性能的参数化分析，除SC-BRB铰接框架中所讨论的参数外，还包括了支撑-框架刚度比αB/M，结果表明:αB/M减小有利于改善结构的薄弱层效应，但取值过小时可能导致最大层间位移角和残余位移角增大，建议取为1.0～3.0;R值大小与αB/M选取有关，当αB/M较大时，R值应适当减小;α的影响规律同铰接框架，建议也取为0.1～0.2;β减小会使结构层间位移角减小，但对残余位移角影响较小，建议取为0.5～1.0;θa增大能同时减小结构的层间位移角和损伤集中系数。
　　(5)针对SC-BRB框架的特点，采用最大位移和残余变形双重控制的理念，提出了SC-BRB框架的三种性能目标;基于抗震性能的参数化分析结果，建立了残余位移角与最大位移角的简化统计关系;针对端部带摩擦装置的SC-BRB滞回特征，推导了等效阻尼比的计算公式，建立了等效线性化过程中SC-BRB结构等效刚度的折减方法;在此基础上，建立了SC-BRB框架直接基于位移的抗震设计方法和流程，结果表明该方法计算简便，无需迭代，且能较好地实现结构最大和残余位移的双重控制。

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 屈曲约束支撑(BRB)

1．2．2 自定心支撑

1．2．3 自定心屈曲约束支撑(SC-BRB)

1．2．4 存在的主要问题

1．3 本文的主要研究内容和思路

参考文献

第二章 SC-BRB的工作原理与滞回性能

2．1 引言

2．2 SC-BRB的概念和工作原理

2．2．1 SC-BRB的构造

2．2．2 SC-BRB的工作原理

2．3 基于OpenSees的SC-BRB有限元模拟

2．3．1 SC-BRB模型的建立

2．3．2 与SC-BRB试验的对比

2．4 SC系统的初始刚度

2．4．1 套管长度误差对SC-BRB初始刚度的影响

2．4．2 与SC-BRB试验的对比

2．5 本章小结

参考文献

第三章 SC-BRB框架的有限元建模

3．1 引言

3．2 SC-BRB的简化模型

3．3 SC-BRB的摩擦装置

3．4 SC-BRB钢框架设计及有限元模型建立

3．4．1 框架基本信思

3．4．2 SC-BRB铰接框架的设计

3．4．3 SC-BRB双重体系的设计

3．4．4 地震波的选取

3．5 SC-BRB初始刚度对结构抗震性能的影响

3．5．1 初始刚度对支撑铰接框架抗震性能的影响

3．5．2 初始刚度对双重体系抗震性能的影响

3．6 本章小结

参考文献

第四章 SC-BRB铰接钢框架抗震性能的参数化分析

4．1 引言

4．2 SC-BRB铰接框架的分析参数

4．3 地震作用折减系数R的影响

4．4 第二刚度比α的影响

4．5 强度比β的影响

4．6 摩擦启动位移角θa的影响

4．7 本章小结

参考文献

第五章 SC-BRB双重体系框架抗震性能的参数化分析

5．1 引言

5．2 SC-BRB双重体系框架的分析参数

5．3 地震作用折减系数R的影响

5．4 支撑-框架刚度比αB／M的影响

5．5 第二刚度比α的影响

5．6 强度比β的影响

5．7 摩擦启动位移角θa的影响

5．8 本章小结

参考文献

第六章 SC-BRB框架直接基于位移的抗震设计方法

6．1 引言

6．2 DDBD的基本原理

6．3 SC-BRB框架目标位移的确定

6．4 残余位移角与最大位移角的关系

6．5 SC-BRB框架等效阻尼比的确定

6．5．1 SC-BRB铰接框架

6．5．2 SC-BRB双重体系框架

6．6 SC-BRB框架等效刚度的折减

6．7 SC-BRB框架直接基于位移的设计流程

6．8 设计算例

6．8．1 SC-BRB铰接框架

6．8．2 SC-BRB双重体系框架

6．9 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

附录

攻读硕士学位期间发表成果

致谢