约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究

摘要

传统钢框架结构中的中心支撑在强震中，极有可能因为受压发生屈曲而退出工作，支撑屈曲后不能有效地耗散能量，这使得结构的抗震能力下降。为了改善支撑的屈曲性能，使得在地震作用时支撑不发生侧向屈曲，相对于传统中心支撑框架提出了一种新的、可以避免支撑屈曲的体系，称为约束屈曲一支撑框架体系(Buckling-Restrained Braced Frame，简称BRBF)。这种体系在美国和日本已经大量被采用，而且表现出了良好的抗震性能。 本文首先从概念设计入手，确定支撑构件在结构中的合理布置形式与数量。约束屈曲支撑作为一种耗能支撑，其布置方式必然有它的特殊要求。本文对约束屈曲支撑在框架结构中不同布置方式的非线性动力时程响应结果进行了分析，得出了约束屈曲支撑构件在框架结构中布置的几点结论。 其次，以能量理论和结构损伤性能为理论基础，利用有限元软件ANSYS对约束屈曲支撑一框架结构中的框架部分进行非线性时程分析，得出结构每层所产生的损伤量，进而确定框架结构损伤量的沿层分布规律。 约束屈曲支撑的性能指标应与目标框架相适应才能充分发挥其耗能减震的作用。本文以既定的框架结构为对象，研究了约束屈曲支撑构件的性能参数。在此基础上，建立了约束屈曲支撑损伤量的计算模型，并推导了约束屈曲支撑损伤量的数值计算方法。基于目标位移沿层相同的假设，推导了约束屈曲支撑构件内核截面面积与损伤量的相关关系，进而确定结构各层布置的约束屈曲支撑截面面积的沿层分布规律。 最后，利用ANSYS对约束屈曲支撑一框架结构进行非线性动力时程分析。为了达到理想的耗能减震效果，关键是确定约束屈曲支撑构件的刚度与框架部分的刚度之比。基于约束屈曲支撑的工作原理，本文推导了名义刚度比Rs的合理取值范围·对于给定的名义刚度比，可以确定结构各层应布置的支撑构件的规格。将所确定的支撑构件布置于结构中，从而形成约束屈曲支撑一框架结构体系的分析模型。对此BRBF模型进行非线性动力时程分析，可以得到BRBF各层的位移、速度和加速度时程曲线。对比地震作用下约束屈曲支撑一框架结构体系与其相对应的纯框架的动力响应，讨论了约束屈曲支撑对结构的减震作用，并验证了所确定的约束屈曲支撑构件的布置形式和数量的合理件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1框架结构的传统支撑

1.2.2约束屈曲支撑

1.2.3约束屈曲支撑—框架结构

1.2.4.约束屈曲支撑的工程应用

1.3本文研究的主要内容

第2章支撑构件的总体布置方案

2.1概念设计

2.2支撑布置形式及数量确定的一般原则

2.3约束屈曲支撑布置方式对抗震性能的影响

2.3.1布置方式

2.3.2计算结果分析

2.4本章小节

第3章框架结构损伤量的计算

3.1能量理论

3.1.1能量平衡的基本方程

3.1.2支撑—框架结构能量平衡方程的建立

3.2支撑—框架结构中各层的损伤量

3.2.1基本理论

3.2.2纯框架结构损伤量的计算方法

3.3纯框架结构损伤量计算算例

3.3.1计算模型

3.3.2结构阻尼计算

3.3.3非线性动力时程分析

3.3.4框架各层损伤量的数值计算

3.4框架各层损伤量的分布规律

3.5 BRBF框架部分损伤量与纯框架结构损伤量的比较

第4章约束屈曲支撑构件内核截面面积的确定

4.1约束屈曲支撑构件的基本参数及要求

4.1.1等效刚度

4.1.2应力集中因子

4.1.3连接段的承载力

4.1.4约束刚度

4.1.5内核板件宽厚比

4.1.6间隙

4.2约束屈曲支撑截面面积与损伤量的相关关系

4.2.1能量关系表达式

4.2.2约束屈曲支撑损伤量的数值计算原理

4.2.3约束屈曲支撑构件截面面积与损伤量的关系式

4.3约束屈曲支撑—框架结构的名义刚度比

4.4约束屈曲支撑构件内核截面面积的确定

第5章工程算例

5.1工程概况

5.2计算分析

5.2.1计算流程

5.2.2地震波的选取

5.2.3阻尼计算

5.2.4框架部分的非线形动力时程分析

5.2.5约束屈曲支撑—框架结构的非线形动力时程分析

5.3减震效果分析

结论与展望

1结论

2展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间所发表的学术论文目录