限制屈曲支撑(BRB)力学性能分析及其钢框架抗震性能研究

摘要

目前，我国现有的钢结构大多为纯钢框架、中心支撑或偏心支撑钢框架。纯钢框架因其侧向刚度较差，往往需要超过承载力要求的梁、柱截面才能满足侧移要求；中心支撑在强震作用下易产生屈曲失稳，造成刚度及抗震能力急剧下降；偏心支撑在一定程度上解决了上述结构体系中存在的问题，但在强震下仍有支撑屈曲、拉压滞回性能不对称等问题。所以，上述体系只能部分满足强度、刚度、耗能三者的要求，难以达到抗震优化设计的要求。 限制屈曲支撑(BRB)作为一种机敏的新型耗能抗震构件，克服了普通支撑易受压屈曲的缺点，在强震作用下具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力，有效地提高了限制屈曲支撑钢框架的抗震性能。通过合理的设计，可以使限制屈曲支撑在罕遇地震发生时率先屈服，利用其滞回性能消耗地震输入的能量，保护主体框架结构。 分析了国内外限制屈曲支撑的研究现状，介绍了限制屈曲支撑的发展、基本构成及工作机理。在此基础上，对限制屈曲支撑的各种可能失稳形式进行了分析，并给出了相应的限制条件。 运用ANSYS有限元分析软件的接触算法，综合考虑各种非线性因素，对限制屈曲支撑模型进行了单调荷载作用下有限元模拟，得出外围约束刚度、混凝土强度、间隙和长细比等因素对支撑力学性能的影响关系。 运用SAP2000结构分析软件，对纯钢框架、普通支撑钢框架和限制屈曲支撑钢框架进行了反应谱分析、动力时程分析以及静力弹塑性分析(Push-over分析)，并追踪了结构体系塑性化顺序和位置以及最终破坏模式。结果表明，限制屈曲支撑钢框架具有优异的抗震能力，能有效地消耗地震能量，减少地震作用对主体钢框架的破坏。

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第一章绪论

1.1传统抗震设计方法与结构抗震体系

1.1.1传统抗震设计方法

1.1.2结构抗震体系

1.2支撑研究概况

1.2.1普通支撑

1.2.2耗能支撑

1.3限制屈曲支撑

1.3.1研究背景

1.3.2工程应用

1.4主要研究内容

第二章 限制屈曲支撑的特性和基本力学性能

2.1构件的基本构成及工作机理

2.1.1基本构成

2.1.2工作原理

2.2限制屈曲支撑稳定分析

2.2.1稳定的基本概念及分类

2.2.2 BRB的整体失稳

2.2.3内核芯杆在约束区的高阶屈曲失稳

2.2.4内核芯杆端部无约束区的扭转失稳

2.3支撑强度

2.3.1屈服及极限强度

2.3.2节点不平衡力

2.4支撑等效刚度

2.4.1集中因子

2.4.2支撑应变

2.5截面间隙

第三章 限制屈曲支撑构件的有限元分析

3.1非线性基本理论

3.1.1材料非线性

3.1.2几何非线性

3.1.3接触分析

3.2非线性问题的求解方法

3.3非线性求解的组织级别

3.4有限元模型设计

3.4.1单元模型的选择

3.4.2模型建立

3.4.3加载方式

3.4.4网格划分

3.5有限元分析

3.5.1特征值屈曲分析

3.5.2外围约束单元对支撑性能的影响

3.5.3间隙对支撑性能的影响

3.5.4混凝土强度对支撑性能的影响

3.5.5长细比对支撑性能的影响

第四章结构抗震分析理论和方法

4.1静力理论

4.2反应谱分析理论

4.3时程分析理论

4.4随机振动分析

第五章 限制屈曲支撑钢框架的抗震性能分析

5.1结构模型的建立

5.2反应谱分析

5.3时程分析

5.3.1基本假定

5.3.2恢复力模型

5.3.3地震波的选择

5.3.4多遇地震作用下时程分析结果

5.3.5罕遇地震作用下时程分析结果

5.4静力弹塑性分析

5.4.1概述

5.4.2静力弹塑性分析的基本理论和方法

5.4.3非线性铰属性

5.4.4静力弹塑性分析结果

结论和展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢