三重钢管防屈曲支撑中防屈曲套管设计方法研究

基于套管边缘屈服准则,给出了由三重钢管组成的防屈曲支撑中防屈曲套管的设计方法,并通过有限元模型对设计方法进行了验证。三重钢管防屈曲支撑是由提供轴向刚度和承载力并耗散地震能量的芯材钢管,以及限制芯材整体屈曲和局部屈曲的外套管和内套管组成。当支撑芯材钢管屈服后,防屈曲支撑的弯曲刚度全部由内防屈曲套管和外防屈曲套管提供。考虑芯材钢管二阶弯矩对套管的弯矩作用,依据外套管边缘纤维不发生屈服的原则,确定防屈曲支撑允许的最大弯曲变形,进而确定了防屈曲支撑套管的刚度和截面尺寸。有限元分析结果表明,在不同芯材径厚比、不同管间间隙以及不同芯材环向预应力的情况下,该防屈曲支撑套管的设计公式均适用。     

圆钢管约束型防屈曲支撑抗震性能试验

制作了3种圆钢管约束防屈曲支撑构件,分别为圆钢管外约束加十字截面芯材构件、圆钢管外约束加圆钢管芯材构件以及外侧圆钢管加内部圆钢管约束构件。对3种构件进行了拟静力试验,研究了圆钢管约束防屈曲支撑构件的抗震性能和参数影响规律,对比了不同类型的防屈曲支撑的抗震效果。研究结果表明:外约束防屈曲支撑构件都具有良好的滞回性能,内约束防屈曲支撑构件因容易发生整体失稳,滞回性能较差;相同截面类型的构件,承载力和初始割线刚度随核心单元截面面积的增大而增强;不同芯材尺寸和隔层厚度构件的等效粘滞阻尼系数基本趋于一致;外约束防屈曲支撑构件的等效粘滞阻尼系数均大于0.50,圆钢管芯材构件的等效粘滞阻尼系数略小于十字截面芯材构件。     

环向预应力三重钢管防屈曲支撑受力性能研究

提出了一种具有环向预应力的三重钢管防屈曲支撑(three-tube buckling-restrained brace,TTBRB)。该防屈曲支撑由位于中间层提供轴向刚度和承载力并耗散地震能量的芯材钢管,以及分别位于芯材外部和内部限制芯材整体屈曲和局部屈曲的外套管和内套管等3部分组成。内、外套管与芯材钢管之间设置高分子聚乙烯材料制作的减摩层,以减小芯材轴向变形过程中内、外套管与芯材之间的摩擦力。相比用实心截面芯材的传统防屈曲支撑,用空心圆管作为芯材具有更大的回转半径;且取消了混凝土类填充材料,大幅度降低支撑自重,及混凝土损伤导致的耗能能力削弱。内、外套管能够限制芯材钢管的整体屈曲和局部屈曲,并可通过装配应力的方式对芯材钢管施加环向预应力,从而可改变芯材钢管的受拉或受压屈服强度。采用验证的有限元模型研究了内、外套管与芯材钢管之间的间隙和芯材钢管内环向预应力大小对TTBRB滞回性能的影响。分析结果表明,间隙较小时,芯材在轴力作用下的环向变形受到内、外套管的限制而产生环向应力,进一步施加环向预应力后,TTBRB的轴向拉压强度显著改变。仅外套管与芯材套管之间存在间隙时,TTBRB在受拉时可提前屈服,在受压时屈服强度不受影响,应作为三重钢管防屈曲支撑优先采用的方案。     

屈曲约束支撑滞回性能的影响因素

为检验不同连接方式及构造方式对屈曲约束支撑滞回性能的影响,设计了螺栓连接和铰接2种连接方式,"十"字形、"T"形及"一"字形3种芯材截面形式,端部焊接型及中部切削型2种芯材制作方式,沿芯材纵向全长焊接及仅在工作段焊接2种组合方式共7个屈曲约束支撑试件。通过拟静力加载试验,分析了屈曲约束支撑的承载力、割线刚度、耗能系数及延性等变化规律。结果表明:7个试件的滞回曲线饱满稳定、耗能能力强;承载力、耗能系数及延性均随加载位移的增大而增大,割线刚度随加载位移的增大而降低,恢复力模型具有典型的双线性特征;连接方式及构造特性对屈曲约束支撑的滞回性能不产生明显影响,芯材材料性能、宽厚比、间隙与芯材厚度的比值是影响其滞回性能的主要因素。结果表明,两角钢具有协同的工作性能;提高焊接质量、增大限位卡附近过渡圆弧的曲率半径分别是增强两种类型屈曲约束支撑稳定滞回的主要工艺及构造措施。     

全钢装配式屈曲约束支撑有限元分析及试验对比

基于Q195全钢装配式屈曲约束支撑抗震性能试验的研究成果,采用ABAQUS有限元软件对试验构件进行数值分析,对屈曲约束支撑芯材采用金属双线性随动硬化模型,得到的有限元分析结果与试验结果接近。最后通过改变屈曲约束支撑的间厚比、宽厚比、材性和长细比,研究其对全钢装配式屈曲约束支撑耗能性能的影响,分析结果表明:随着芯材间厚比的增加,试件荷载-位移曲线振荡加剧;随着芯材宽厚比的增大,试件进入塑性后的荷载-位移曲线越平缓;以Q195钢为芯材的屈曲约束支撑滞回性能比Q235B钢好;随着芯材弱轴方向长细比的增大,试件的刚度在弹性段和塑性段均减小。     

一字形全钢防屈曲支撑耗能性能试验研究

对一种新型防屈曲支撑进行性能试验研究。该种防屈曲支撑（以下称一字形全钢防屈曲支撑）的内核为一字形钢板,外约束单元为双腹板工字形钢,中间用薄橡胶作为无黏结材料。通过对8个一字形全钢防屈曲支撑试件进行轴向循环往复加载试验,研究了防屈曲支撑的耗能性能以及不同芯材特性、支撑长度对其耗能性能的影响。结果表明：一字形全钢防屈曲支撑的构造合理,所有试件的滞回曲线稳定饱满;芯材特性和支撑长度对于该种防屈曲支撑的耗能性能均有较大影响;以SLY225为芯材的防屈曲支撑,其耗能性能、低周疲劳性能与塑性变形能力均明显优于以SN490B为芯材的防屈曲支撑;SLY225能提供45%以上的附加有效阻尼比;增加支撑长度,防屈曲支撑的塑性变形能力与低周疲劳性能均有所下降。     

Q235一字形芯材防屈曲支撑抗震性能试验研究

采用国产Q235热轧钢材设计并制作防屈曲支撑,对3个钢材品种、3种截面、2种灌实材料的6个防屈曲支撑试件开展试验研究。通过低周反复荷载加载试验,研究防屈曲支撑的力-位移滞回曲线、骨架曲线及其刚度退化过程、等效黏滞阻尼比等抗震性能。结果表明:一字形芯材防屈曲支撑的构造合理,所有试件的滞回曲线稳定饱满;芯材特性和灌实材料强度对于该种防屈曲支撑的耗能性能均有较大影响。     

采用一字形Q235钢芯材的防屈曲支撑稳定性分析

针对防屈曲支撑整体稳定和局部稳定性条件,结合钢结构稳定理论对防屈曲支撑整体稳定性和芯材的局部稳定性进行了理论分析和推导,提出了相应的计算公式,并进一步提出了防屈曲支撑芯材的屈服段与约束试件之间的局部挤压力计算公式。结合所建议的计算公式,可以对防屈曲支撑整体稳定性和芯材局部稳定进行验算和分析。     

考虑填充墙影响的防屈曲支撑-钢框架抗震性能分析

按照7度设防标准设计一20层平面钢框架,采用层刚度比方法布置防屈曲支撑,通过计算分析选出合理的刚度比例。采用Wael三撑杆模型、改进的Atkinson和Yan本构关系曲线模拟填充墙,并建立含填充墙的20层防屈曲支撑-钢框架模型。采用增量动力分析(IDA)方法并结合ATC委员会的提出的倒塌储备系数(CMR)评价方法,对防屈曲支撑-钢框架和含有填充墙的防屈曲支撑-钢框架进行了抗震性能对比研究。结果表明,填充墙可以显著提高结构的抗侧刚度,并能增强结构在罕遇地震下的抗倒塌能力,通过合理的布置防屈曲支撑可使7度设防钢框架基本实现8度"大震不倒"的设防目标,同时表明CMR抗震性能评估方法在长周期结构中的应用需进一步研究。     

火灾下蜂窝钢梁腹板屈曲性能研究

通过有限元方法研究火灾下无防火保护蜂窝钢梁孔间腹板屈曲性能及屈曲温度。首先采用有限元传热分析,获得标准火灾下无防火保护蜂窝梁不同受火时刻的三维有限元温度分析结果,然后采用有限元受力分析确定三维有限元温度分析结果下蜂窝梁孔间腹板的受力性能和屈曲温度。传热分布结果表明,开孔后增加了孔洞周边厚度方向上腹板与空气间的热量交换,使得腹板升温速率明显大于翼缘。火灾下结构受力分析结果表明,由于钢材的力学性能随温度升高而降低,而且中心腹板升温速率快使蜂窝梁更易发生孔间腹板屈曲破坏。蜂窝梁的屈曲温度随孔间距及腹板厚度的增大而增大。通过对采用三维有限元温度分布与均匀温度分布的蜂窝梁进行对比分析,结果表明,由于不均匀温度分布使得沿腹板高度产生附加热应力,从而使得孔间腹板屈曲变形增大。