设置开孔十字型防屈曲支撑钢框架的抗震性能分析

摘要

我国是受地震影响最为严重的国家之一，自汶川特大地震之后，我国对于建（构）筑物的抗震设防要求和重视程度显著提高。在普通支撑框架结构中，支撑在轴压作用下且外荷载较大时极易发生平面外屈曲失稳而丧失承载能力，使得普通支撑框架在地震作用下难以发挥材料强度达到预期效果。
　　近年来随着消能减震技术的不断完善与推广，防屈曲支撑逐渐进入学者视野并投入工程使用。广州大学周云教授提出的“核心单元局部削弱相当于其他部分加强”的观点成为近年来防屈曲支撑研究的热点。其通过对支撑内核部分进行开槽或开孔，主动削弱截面，使防屈曲支撑具有更低的屈服点，从而体现定点屈服与保护两端截面的优势。
　　本文通过ABAQUS有限元分析软件对普通十字型支撑、不开孔十字型防屈曲支撑、单排开孔十字型防屈曲支撑以及双排开孔十字型防屈曲支撑进行了单向加载和低周反复加载模拟，结果表明:普通十字型支撑在压位移增大后会出现明显的刚度退化且承载力下降明显;双排开孔十字型防屈曲支撑具有三组防屈曲支撑中最低的屈服荷载，并且在20mm轴压加载时承载力较高，仅比不开孔十字型防屈曲支撑低1.4％，滞回曲线面积与不开孔防屈曲支撑数值差距仅在3％之内，体现了良好的力学性能和耗能能力。
　　本文采用ABAQUS对横向一榀纯钢框架、普通十字型支撑框架、未开孔十字型防屈曲支撑框架以及双排开孔十字型防屈曲支撑框架进行了单向加载和低周反复加载模拟，结果表明:设置了防屈曲支撑的框架体现出了较高的极限承载力，相较于纯钢框架结构，其刚度和承载力提升显著。而双排开孔十字型防屈曲支撑框架不仅有良好的承载力和滞回性能，由应力云图可看出其同样具备定点屈服以及改善端部应力集中的优点。
　　本文采用MIDAS/GEN对一栋5层钢框架结构体系进行整体建模，并比较布置普通十字型支撑和开孔十字型防屈曲支撑的框架在多遇地震下的弹性性能以及罕遇地震下的弹塑性性能，结果表明:在结构进入弹塑性阶段后，设置开孔十字型防屈曲支撑框架相较于普通十字型支撑框架，在层间位移角、顶层位移、顶层加速度的数值方面都有明显的降低，体现了良好的性能。低层的开孔十字型防屈曲支撑的滞回曲线饱满对称，且具有低屈服荷载，能在地震作用下先于主体结构屈服而耗能，对于主体结构及构件的保护作用明显，体现了良好的抗震性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 防屈曲支撑构件的国内外研究现状

1．2．1 普通支撑与防屈曲支撑的工作原理

1．2．2 混凝土型防屈曲支撑研究现状

1．2．3 全钢型防屈曲支撑的研究现状

1．3 防屈曲支撑框架的研究现状

1．4 防屈曲支撑的工程应用

1．5 现有研究的不足

1．6 本文研究目的与内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

2 开孔十字型防屈曲支撑理论分析

2．1 防屈曲支撑的工作原理

2．2 防屈曲支撑的强度指标

2．2．1 防屈曲支撑核心段强度指标

2．2．2 防屈曲支撑连接段强度指标

2．3 防屈曲支撑的整体稳定分析

2．3．1 防屈曲支撑整体稳定分析

2．3．2 内核单元的稳定性分析

2．3．3 连接段的稳定性分析

2．4 防屈曲支撑影响因素分析

2．4．1 防屈曲支撑等效刚度

2．4．2 防屈曲支撑间隙取值的影响

2．4．3 芯材初始缺陷的影响

2．4．4 约束刚度的影响

2．4．5 宽厚比与间厚比的影响

2．5 本章小结

3 开孔十字型防屈曲支撑的有限元分析

3．1 防屈曲支撑有限元法的理论基础

3．1．1 非线性理论

3．1．2 屈曲分析

3．2 防屈曲支撑的耗能性能指标

3．3 开孔十字型防屈曲支撑有限元建模

3．3．1 几何模型建立

3．3．2 部件类型

3．3．3 材料属性定义

3．3．4 相互作用(接触)定义

3．3．5 单元类型定义

3．3．6 网格划分

3．3．7 加载制度

3．4 内芯的屈曲分析与初始缺陷引入

3．5 各组支撑的单向加载模拟

3．6 各组支撑的滞回性能模拟

3．7 本章小结

4 开孔十字型防屈曲支撑框架静力分析

4．1 结构低周反复加载静力试验与有限元模拟

4．1．1 低周反复加载静力试验

4．1．2 有限元模拟低周反复加载试验

4．2 有限元模型的建立

4．2．1 模型尺寸与构造

4．2．2 模型单元类型与网格划分

4．2．3 相互作用(接触)与边界条件

4．2．4 加载方式

4．2．5 屈曲分析与初始缺陷引入

4．3 单向加载

4．3．1 极限承载力与荷载-位移曲线

4．3．2 端部受力分析

4．4 低周反复加载

4．4．1 滞回曲线

4．4．2 耗能性能指标和骨架曲线

4．5 本章小结

5 开孔十字型防屈曲支撑钢框架抗震性能分析

5．1 防屈曲支撑框架的概念设计

5．1．1 防屈曲支撑框架结构协同工作原理

5．1．2 防屈曲支撑的布置方式

5．2 结构分析模型

5．2．1 工程概况

5．2．2 分析方法及软件选择

5．2．3 防屈曲支撑在MIDAS／GEN中的模拟

5．2．4 地震波的选取

5．3 反应谱分析

5．3．1 周期

5．3．2 层间位移角与水平位移

5．3．3 楼层剪力

5．4 时程分析

5．4．1 多遇地震下的时程分析

5．4．2 罕遇地震下的时程分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献