带有屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构抗震性能研究

摘要

目前屈曲约束支撑(BRB)框架的设计方法往往控制参数较多，设计过程较为复杂，其中最大的难点在于无法切实控制所有楼层的BRB同时屈服并避免薄弱层的出现。而在摇摆墙框架结构中，摇摆墙基本不提供抗侧刚度和耗能能力。基于屈曲约束支撑框架结构设计的复杂性和摇摆墙框架结构的刚度需求和耗能需求，本文提出带有BRB的摇摆墙框架结构体系，既可以看作是利用摇摆墙控制屈曲约束支撑框架结构的变形模式以保证所有BRB充分发挥作用，也可以理解为BRB为摇摆墙框架结构提供抗侧刚度和耗能能力。针对该结构体系本文主要进行了以下研究:
　　(1)分析了摇摆杆件的动力特性及摇摆墙框架结构的受力特性。将摇摆杆件视作独立的弹性构件，讨论了其时程分析方法，提出了几种适用的模态求解方法，为后续针对摇摆杆件的分析提供依据和方法。基于振型分解法讨论了摇摆杆件的恢复力模型，进而通过受迫谐振响应分析，证明摇摆杆件的内力受高阶模态影响较大，而位移由一阶模态控制。对于摇摆墙框架结构，根据均匀离散模型的计算推导和算例分析，提出了刚度比等主要设计参数。分析了摇摆墙对结构抗侧刚度影响，当框架层刚度和高度分布均匀时，摇摆墙的加入对原框架基底剪力与顶点位移的比值影响不大，否则会有影响。摇摆墙在结构中发挥了传递抗侧刚度的作用，从而提高结构整体抗侧能力。
　　(2)提出了带有BRB的摇摆墙框架结构体系。首先阐述了该结构体系的设计理念并分析了其特点和优势，通过离散模型的计算推导和算例分析，提出转动刚度比等主要设计参数。通过振型分解法讨论了底部带有BRB的铰支墙(HWBB)的受迫谐振响应并与摇摆杆件作比较，表明随着转动刚度比的增大，一阶模态对内力的影响增大，而高阶模态对位移的影响增大。基于Benchmark模型，比较了该体系与框架、摇摆墙框架、框剪等结构的抗震性能，结果表明该体系在BRB屈服前类似框剪结构，BRB提供附加抗侧刚度并通过墙体进行传递，BRB屈服后结构发生摇摆，墙体控制侧移模式，BRB通过滞回耗能，充分发挥了结构各部分抗震能力。
　　(3)采用动力分析方法研究了底部带有BRB的铰支墙框架(HWBBF)结构体系中的三种刚度比（刚度比、转动刚度比和屈服后刚度比）。无论是摇摆墙框架结构还是HWBBF结构，当刚度比较大时，结构侧移模式都更趋向于墙体，因此能得到很好的控制。对于刚度比很大的HWBBF结构，随着转动刚度比的增大，结构侧移模式逐渐由摇摆墙向剪力墙转变，基底剪力和中部弯矩增大，而顶点位移和层间位移角峰值变化较小。当不考虑P-Δ效应时，该体系的弹塑性模型与对应的弹性模型基本符合等位移原则。当考虑P-Δ效应时，屈服后刚度越小，顶点位移响应越大，残余位移也越大，出现偏振现象，但屈服后刚度比达到0.1时，结构响应几乎不受P-Δ效应影响。
　　(4)研究了HWBBF结构设计方法。根据几何关系推导了BRB和HWBBF的抗震能力基本要素（承载力、刚度、位移、延性）之间的转换关系，通过此转换关系可以将结构设计简化为构件设计。对其中的延性关系进行了分析和验证，表明了本结构整体延性不仅与BRB延性有关，还受转动刚度比影响。BRB屈服后墙体底部弯矩不再增长，但墙体中部弯矩仍增长显著。根据屈服后墙体弯矩的分布特点，提出了一种计算墙体弯矩的叠加方法，并进行了验证和应用，结果表明该方法可以简便但较准确地估计墙体弯矩。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 屈曲约束支撑框架结构

1．2．1 屈曲约束支撑

1．2．2 屈曲约束支撑框架结构的设计方法研究现状

1．2．3 屈曲约束支撑框架结构的设计难题

1．3 摇摆墙结构

1．3．1 摇摆墙结构简介

1．3．2 摇摆墙结构的研究现状

1．4 本文主要研究内容

参考文献

第二章 摇摆结构特性分析

2．1 摇摆杆件的动力特性分析

2．1．1 摇摆杆件的时程分析

2．1．2 摇摆杆件的模态求解及分析

2．2 摇摆结构的恢复力模型及高阶模态分析

2．2．1 摇摆杆件的振型分解和恢复力模型

2．2．2 高阶模态对摇摆杆件的内力和变形的影响

2．3 摇摆墙框架结构的受力特性分析

2．3．1 均匀离散模型的计算推导

2．3．2 摇摆墙对原结构抗侧刚度的影响

2．3．3 摇摆墙传递抗侧刚度作用的分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 带有屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构体系

3．1 体系概念提出与特性分析

3．1．1 体系概念的提出

3．1．2 体系概念分析

3．1．3 体系恢复力模型

3．1．4 体系优势分析

3．2 均匀离散模型的计算推导

3．3 高阶模态对内力和变形的影响

3．3．1 谐振激励下HWBB反应的各阶模态放大系数

3．3．2 不同转动刚度比下结构总反应的的比较

3．3．3 总结

3．4 各种结构体系抗震性能比较

3．4．1 Benchmark模型简介

3．4．2 非线性静力分析

3．4．3 非线性动力分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 HWBBF结构的三种刚度比分析

4．1 刚度比分析

4．1．1 摇摆墙框架结构的刚度比分析

4．1．2 HWBBF结构的刚度比分析

4．2 转动刚度比分析

4．2．1 转动刚度比对结构模态的影响

4．2．2 分析模型的建立

4．2．3 转动刚度比对结构位移的影响

4．2．4 转动刚度比对墙体内力的影响

4．2．5 相关性分析

4．3 BRB屈服后刚度比分析

4．3．1 增量动力分析介绍

4．3．2 分析模型的建立

4．3．3 屈服后刚度比对结构顶点位移的影响

4．3．4 屈服后刚度比对结构累积耗能的影响

4．3．5 屈服后刚度比对DCF的影响

4．3．6 P-△效应的影响

4．4 本章小结

参考文献

第五章 HWBBF结构设计方法研究

5．1 结构性能指标分析

5．1．1 几何关系推导

5．1．2 延性验证

5．1．3 延性保证

5．2 墙体截面弯矩的地震强度叠加法

5．2．1 HWBB的弯矩分布特点分析

5．2．2 地震强度叠加法

5．2．3 基于反应谱的设计方法

5．3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 主要工作总结

6．2 研究展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文