基于应变能密度的钢框架失效准则及在减震结构中的应用研究

摘要

针对目前结构抗震分析领域钢框架结构体系缺少一套机理性的失效准则相关问题的判断方法的局面，本文基于结构指数应变能密度和值ESED这一参数对H 形钢构件和钢框架结构在静力及动力荷载作用下的全过程工作行为进行了分析和研究，旨在总结提出一套从能量角度出发且具有一定理论基础的钢框架结构失效准则，并将其引申到BRB减震结构中，验证该准则的适用性。 首先，引入薄壁结构及薄膜应力刚化现象的概念，分析结构中当大量单元累积较多的薄膜应变能后的能量构成变化，从理论层次对钢构件和钢框架结构体系在结构失效前后的应变能变化进行了分析和比较。 其次，以单自由度质量体系为例探索了结构单元应变能随外荷载的变化规律，印证了单元应变能可作为判断结构失效参数的合理性；同时以不同截面单元构件为例，通过解析解和数值解的对照研究了薄膜刚度对结构单元应变能的影响，进一步验证了理论基础的准确性；通过结合不同结构受力状态概念的描述，引入结构指数应变能密度和值 ESED 并结合数值模拟结果总结了该类型钢结构体系的失效判断准则，并在一定程度上对上述失效准则特征值点选取的合理性进行了讨论。 然后，分别以 H 形钢单元、构件、简单框架、复杂框架为例逐级深入，提取并分析了各种结构在静力或全荷载域动力时程分析作用下的各结构响应随外荷载的变化规律，并重点比较了结构指数应变能密度和值这一能量参数与位移参数 dis（结构最大节点位移）对结构整体工作行为表征效果的参考价值，发现结构指数应变能密度和值相较于结构最大节点位移具有明显的优势。 进而，探讨了基于结构指数应变能密度和值ESED的钢结构失效准则在工程中的应用范围，并讨论了结构指数应变能密度和值与地震峰值加速度的关系曲线ESED-A曲对不同结构整体及局部工作性能的表现能力，旨在为以后结构失效准则问题的相关研究提供一定的参考。 最后，将基于结构指数应变能密度和值ESED的钢框架失效准则引入到了附加BRB的减震钢框架结构中，对其适用性进行了验证。同时将纯框架和BRB减震框架从失效荷载的角度进行了对比，讨论了BRB布置前后结构失效荷载的变化，发现BRB的合理布置可以有效提高结构的失效荷载。

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