含可更换剪切型耗能梁段的组合钢框筒截面尺寸预估方法探究

含可更换剪切型耗能梁段组合钢框筒可克服传统钢框筒延性差和震后修复困难的缺点,有助于其在较高烈度区的应用。高层钢框筒用轴压比和等效实膜筒法确定的构件截面尺寸较粗糙,需反复试算和调整。为方便所提出的组合钢框筒结构的初步设计和抗震性能研究,给出了该新型结构各构件截面尺寸的预估方法,并通过组合钢框筒算例利用双向地震弹塑性时程分析方法验证了所提出预估方法的有效性;同时比较了罕遇地震下钢框筒与组合钢框筒的层间位移角、楼层位移、基底剪力、剪力滞后效应、塑性铰分布。研究表明:所给出的构件尺寸预估方法具有较好的效果,能够实现罕遇地震下塑性变形集中于耗能梁段,便于震后修复和功能恢复;罕遇地震下,相对传统钢框筒,组合钢框筒的各楼层的弹塑性层间位移角、楼层位移均明显减小,且其水平主向的基底剪力峰值明显减小,具有良好的减震效果,此外其角柱的轴力绝对值明显降低,减小了剪力滞后效应。     

耗能梁段布置方式对含可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构抗震性能的影响

针对传统钢框筒结构地震耗能差、震后修复难度大和难以实现"强柱弱梁"的设计理念等问题,提出了一种新型高层钢结构体系——含可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS)。为研究耗能梁段布置方式对HSS-FTS抗震性能的影响,设计了30层的HSS-FTS系列算例并建立其有限元模型,依据提出的耗能梁段布置原则,给出了6种不同的耗能梁段布置方式。验证了有限元建模的合理性,对有限元模型分别进行反应谱分析、静力Pushover分析和动力弹塑性时程分析。分析结果表明:HSS-FTS改善了传统钢框筒结构的耗能能力,主要依靠耗能梁段塑性剪切变形耗散地震能量。不同的耗能梁段布置方式对结构的基底剪力、层间侧移角、承载能力、耗能能力、剪力滞后效应、塑性铰发展模式以及震后残余层间侧移角均有显著影响,但对结构的整体抗侧刚度影响较小。耗能梁段采用间隔布置3跨或连续布置5跨时,HSS-FTS在强震下的层间侧移角分布均匀,没有薄弱层出现,对震后残余层间侧移角的控制效果更为显著,且具有优良的耗能能力和理想的整体失效模式。     

可更换剪切型耗能梁段-高强钢框筒结构抗震性能分析

传统钢框筒结构(FTS)耗能能力较差,震后难以快速恢复。为了提高传统钢框筒结构的耗能能力、经济性以及实现震后快速恢复,结合剪切型耗能梁段良好的塑性变形能力、高强钢强度高节省钢材的优势以及钢框筒结构较大的抗侧刚度,提出可更换剪切型耗能梁段-高强钢框筒结构(HSS-FTS)。为了研究和对比HSS-FTS与传统FTS的抗震性能,设计了2个不同耗能梁段布置方式的HSS-FTS算例结构以及1个FTS结构算例,采用SAP2000软件建立其有限元模型,通过推覆分析和非线性动力时程分析对有限元模型的抗震性能进行分析和对比。结果表明:结构的设计指标均能满足规范要求;在推覆过程中,HSS-FTS的耗能梁段均先屈服形成塑性铰,然后裙梁梁端逐渐屈服形成塑性铰,最后底层柱端形成塑性铰,结构达到极限状态,具有理想的屈服模式; FTS的塑性铰集中在中下部楼层的裙梁端部和个别柱端,增加了结构倒塌的风险;在大震作用下,所有算例结构的层间侧移角满足规范限值要求,且HSS-FTS比FTS具有更好的延性和耗能能力; HSS-FTS的塑性铰集中在耗能梁段,其余构件保持弹性,震后仅需更换损伤严重的耗能梁段即可实现结构功能的快速恢复。     

含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构抗震性能研究

地震作用下,传统钢框筒结构难以实现强柱弱梁的设计理念,大震下柱端往往先于梁端出现塑性铰。针对这一问题提出了含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构,即在裙梁中设置可更换的剪切型耗能梁段,大震作用下结构利用剪切型耗能梁段良好的弹塑性变形能力进行耗能,其余构件仍处于弹性状态或部分发展塑性。设计了一组算例结构,包括传统钢框筒结构和含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构,采用SAP2000有限元分析软件对算例结构进行了弹性和弹塑性地震反应分析,对比了传统钢框筒结构和不同耗能梁段布置形式的含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构在多遇地震、罕遇地震和极罕遇地震作用下的抗震性能和破坏模式。结果表明:在裙梁中设置剪切型耗能梁段对结构整体刚度的影响较小,含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构改变了传统钢框筒结构的耗能机制,主要通过耗能梁段的剪切变形代替裙梁端部塑性铰耗能。罕遇地震作用下耗能梁段全部进入塑性耗能,震后仅需替换损伤严重的耗能梁段即可快速恢复结构的使用功能。极罕遇地震作用下,传统钢框筒结构达到极限状态,而含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构的耗能梁段进一步发展塑性,其余构件保持弹性,结构具有足够的安全储备。     

含可更换剪切型耗能梁段的组合钢框筒性能优势研究

针对传统框筒结构延性差和震后修复困难的问题,提出了一种新型框筒结构形式——含可更换剪切型耗能梁段的组合钢框筒结构。为了体现这种结构的性能优势,利用SAP2000软件进行了静力弹塑性分析,将其与传统钢框筒结构(1个Q460钢框筒结构和2个Q345钢框筒结构)的承载力、层间位移角、楼层剪力、层刚度、剪力滞后效应、塑性铰分布和用钢量进行了对比,并给出一些设计建议。分析结果表明:该新型结构相对于Q345钢框筒结构可节省用钢量约15.5%;其翼缘框架剪力滞后效应与传统钢框筒结构相差不大;该新型结构的延性系数为1.73,相较于传统钢框筒结构的延性系数可提高26.3%;与传统钢框筒结构相比,该新型结构在中震和大震下可降低地震作用约20.1%和33.6%,并且将结构的塑性变形集中在可更换耗能梁段上,方便震后的识别和替换。在高烈度区,该新型结构的主体抗侧力构件钢材建议采用Q390~Q460,剪切型耗能梁段钢材建议采用LY160~Q345。     

含可更换耗能梁段的钢框筒结构滞回性能研究

传统钢框筒结构(SFTSs)的裙梁跨深比较小,梁端往往先于柱端形成塑性铰,使得结构的延性和耗能能力较差。针对这一问题,提出在裙梁跨中设置易于更换的剪切型耗能梁段,即含可更换耗能梁段的钢框筒结构(SFTS-RSLs)。设计了30层的SFTS和SFTS-RSL算例结构,从中选取子结构进行精细化有限元分析,研究结构的滞回性能,并对整体算例结构进行非线性静力和动力分析,研究结构的整体抗震性能。分析结果表明:SFTS和SFTS-RSL具有相同的初始弹性刚度;相较于SFTS,SFTS-RSL具有较低的屈服荷载和极限荷载,较高的延性和耗能能力;设置耗能梁段可以减小结构的层间侧移,且不会加剧结构的剪力滞后效应;SFTS-RSL的损伤主要集中于耗能梁段,其余构件始终保持弹性状态。研究结果表明SFTS-RSLs是一种性能优良的双重抗侧力结构体系,可以通过更换耗能梁段实现震后结构功能的可快速恢复。     

Y形偏心支撑-高强钢框架结构抗震性能试验研究

为研究Y形偏心支撑-高强钢框架结构抗震性能,在已完成的1∶2缩尺3层模型结构振动台试验的基础上,重新设计了耗能梁段,并对该结构再次进行振动台试验。试验中选取El Centro波、Taft波和兰州波作为地震动输入并考虑7度多遇到9度罕遇的地震水准,分析了结构在水平地震作用下的动力特性、加速度响应、位移响应、应变响应、剪力分布等,并与已有试验结果进行了对比。通过ABAQUS建立了有限元分析模型,与试验结果进行对比。结果表明：该结构在多遇地震作用下处于弹性状态,在罕遇地震作用下表现为耗能梁段的局部破坏;耗能梁段破坏后,结构刚度大幅下降,但未发生倒塌;在多遇地震和罕遇地震作用下,结构的最大层间位移角满足抗震规范层间位移角限值的相关要求;在罕遇地震作用下,耗能梁段进入塑性状态而进行耗能,其他构件仍保持弹性状态;所建立的有限元模型可以有效模拟振动台试验结果。     

加腋钢框架结构的静力弹塑性性能研究

运用SAP2000对普通钢框架和对其进行加腋后的框架进行Pushover分析,得出两类钢框架在多遇和罕遏地震作用下性能点的基底剪力和顶点位移,然后分别以第一次Pushover分析得到的性能点的顶点位移为监测位移再进行Pushover分析,得到多遇和罕遇地震作用下两类钢框架的层位移、层间位移角和各杆件的塑性铰数量及塑性铰出现的顺序。分析结果表明：加腋后钢框架在多遇和罕遇地震下的层位移减小;加腋措施使得钢框架在多遇地震下的层间位移角有减小的趋势,而在罕遏地震下的层间位移角有增大的趋势,但这种影响的幅度不大;加腋措施显著地改善了钢框架在罕遇地震下结构杆件出现的塑性铰数量和塑性铰顺序;加腋后的首层柱底达到极限承载力,为薄弱构件,加腋设计时需要注意。     

框架-阻尼框筒结构体系在超高层建筑中的应用研究

在框架-核心筒结构体系的基础上,提出了一种新型结构体系"框架-阻尼框筒结构体系"。对某200m高、采用框架-阻尼框筒结构体系的超高层建筑进行了多遇地震下的设计,通过周期和层间位移角对比,得出钢板阻尼墙在多遇地震下可以提供所需刚度。进一步对该结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析,通过对基底剪力下降程度、顶部位移对比、层间位移角、框架损伤、钢板阻尼墙耗能和有害层间变形进行分析,表明钢板阻尼墙在罕遇地震下能够充分耗能,降低结构响应,保护框架构件。最后,研究了钢板阻尼墙屈服位移对结构层间变形和钢板阻尼墙耗能占比的影响。初步论证了框架-阻尼框筒结构体系可应用于200m左右的超高层建筑中,合理设计下具有优异的抗震性能,为超高层建筑的结构体系选择提供了一种新的方案。     

钢框束筒结构剪力滞后分析与楼层损伤评估

为研究钢框束筒结构中的剪力滞后现象及其对结构设计的影响,分析结构在罕遇地震作用下耗能及楼层损伤情况,建立了有限元分析模型,对结构进行风荷载和多遇地震作用下的弹性分析以及罕遇地震作用下弹塑性时程反应分析。对剪力滞后沿楼层的分布特点以及窗裙梁截面高度变化对束筒结构剪力滞后的影响进行了分析,研究了剪力滞后与楼层损伤之间的关系。通过对楼层的最大有害层间位移角和塑性耗能分析,研究了楼层损伤因子的计算方法,并对楼层的损伤程度进行了定量评估。分析结果表明:钢框束筒结构下部高度1/3范围内为剪力传递敏感区域,仅在该区域加大窗裙梁截面可以得到与全高加大窗裙梁截面接近的空间作用效果。结构剪力滞改善后,应避免局部区域出现应力突变,产生新的更为严重剪力滞后现象。楼层柱应力不均匀系数代表值与楼层塑性耗能在竖向收进局部区段具有相似的分布规律。采用基于归一化的位移和塑性耗能双参数模型算式得到的楼层损伤因子与通过损伤现象确定的楼层损伤因子吻合较好,可用于钢框束筒结构楼层损伤程度的定量评估。