框架-分布摇摆芯筒-核心筒结构体系力学模型及耗能减震性能分析

为了提高传统框架-核心筒(frame core tube, FCT)结构的经济性，提出框架-分布芯筒-核心筒(frame-distributed tube-core tube, FDCT)新型高层结构体系，用以减小传统筒体围合面积。进而提出框架-分布摇摆芯筒-核心筒(frame-distributed rocking tube-core tube, FDRCT)新型高层结构体系，改善FDCT因刚度削弱导致的抗震能力下降。根据FCT结构、FDCT结构和FDRCT结构的简化分析模型，基于Lagrange方程建立三种结构的动力方程。通过分析地震下结构的时程响应，针对分布摇摆芯筒的质量进行相关参数分析，证明附加摇摆体系的FDRCT结构具备优良的耗能减震性能。对三种结构分别进行了不同场地条件以及不同类型长周期地震波下动力时程分析，结果表明FDRCT结构在不同类型地震波下均有耗能减震效果，且在长周期地震波下更为优越。对三种结构的性能-利润总值进行评估，结果表明在不同类型地震波下FDRCT结构均可实现既能提升结构的经济性，也能保证结构在地震下的安全性能。     

连续摇摆墙-屈曲约束支撑框架抗震性能分析

高层摇摆墙的刚度和强度需求较大,且预制和吊装施工困难。为减小高层框架结构的位移响应和损伤集中效应,提出了连续摇摆墙-屈曲约束支撑框架(CRW-BRBF)结构体系,即连续摇摆墙控制层间位移分布模式,屈曲约束支撑承担地震作用并充当耗能减震装置,框架承担竖向荷载作用并作为抗震第二道防线。采用Open Sees软件对结构进行了22条地震波的动力时程分析,对比了屈曲约束支撑框架(BRBF)、摇摆墙-屈曲约束支撑框架(RW-BRBF)和CRW-BRBF的抗震性能。分析结果表明:连续摇摆墙可以减少BRBF结构的层间位移角不均匀系数;与RW-BRBF相比,CRW-BRBF中摇摆墙的弯矩和剪力需求均较小。     

框架-摇摆墙结构受力特点分析及其在抗震加固中的应用

摇摆结构是一种新型抗震结构体系。摇摆结构通过释放某些部位的约束,允许结构相应位置发生相对位移,从而改变构件的受力状态,改善结构的抗震性能。框架-摇摆墙结构是摇摆结构的一种,其中摇摆墙能够绕着墙底连接件发生面内转动。墙体底部约束的释放降低了对基础的承载力需求,同时能有效避免地震作用下墙体的损伤。具有较大刚度的摇摆墙能有效地控制结构的变形模式,防止出现变形和损伤集中。在框架-摇摆墙结构中增设阻尼器和预应力钢筋可分别增加其耗能能力并减少震后残余变形。该文提出了框架-摇摆墙结构的分布参数模型,利用该模型分析了摇摆墙刚度对结构侧移分布、摇摆墙和框架承载力需求的影响。研究了摇摆墙在国内某工程抗震加固改造中的应用,提出了摇摆墙加固的具体方法以及连接的局部构造。采用动力弹塑性时程分析的方法,对比了原结构与摇摆墙加固后结构的抗震性能。分析结果表明,摇摆墙加固方案能使塑性铰的分布更加均匀,增设预应力钢筋和金属屈服型阻尼器显著提高了结构耗能能力,减小了结构的残余变形。     

自复位消能摇摆模块复合钢框架协同抗侧机理与抗震加固设计方法

该文采用自复位消能摇摆模块对既有抗弯钢框架进行加固，以减小其震后残余位移、提升其地震抗倒塌性能、避免其因层间变形集中而发生薄弱层倒塌破坏。基于分布参数连续体模型，揭示了自复位消能摇摆模块与钢框架结构的协同抗侧机理，分析了自复位消能摇摆模块抗弯刚度及抗侧刚度对结构层间变形模式、摇摆模块和钢框架内力需求的影响。提出了利用自复位消能摇摆模块加固既有抗弯钢框架基于位移的抗震设计方法，给出了具体设计流程。基于提出的设计方法对某三层抗弯钢框架进行加固设计。静力推覆分析和动力分析结果表明，自复位消能摇摆模块可有效减小既有抗弯钢框架结构的震后残余变形、使结构获得均匀的层间变形模式。加固后的结构在设计地震下可达到预期设计目标。     

铰支桁架-框架结构抗震设计与性能研究

合理设计的框架会因为地震力分布不均匀致使框架的部分楼层梁率先屈服,导致结构层间位移角不均匀系数（DCF）增加,很难出现所有楼层梁端和柱底出铰的完全梁铰机制。为改善普通钢框架层间集中损伤和侧向刚度偏小问题,提出在框架中设置拉链柱和斜撑,形成铰支桁架-框架,控制框架侧向位移大小和分布。推导了框架弹性DCF值,并以此作为铰支桁架-框架的DCF目标值,进而提出了铰支桁架与框架的合理刚度比;给出了基于DCF抗震设计流程,设计算例达到了预期的位移和DCF性能目标。对比了框架、摇摆墙框架和铰支桁架-框架的抗震性能,结果表明:铰支桁架可以提高框架的抗侧刚度,使框架的塑性铰分布模式由不完全梁铰机制转变为完全梁铰机制,使框架层间位移角及剪力分布均匀;相比于摇摆墙框架,铰支桁架-框架具有较大的侧向刚度和相近的侧向变形模式。     

摇摆桁架-BRB-钢框架体系地震失效模式与抗震性能分析

建筑结构抗震设计所希望的结构地震失效模式是完全梁铰式失效,由于各种不确定性的存在,在实际地震中,结构是否能发生完全梁铰式失效是无法预知的。而防屈曲支撑构件(BRB)延性较大,在地震作用下可稳定地耗散地震输入结构的能量。鉴于此该文提出了一种摇摆桁架-BRB-钢框架体系,采用静力推覆分析方法,识别出了结构的主要地震失效模式,对其失效路径以进行了分析;对传统钢框架结构、摇摆桁架-钢框架体系、摇摆桁架-BRB-钢框架体系在小震、中震、大震作用下进行时程分析,并基于峰值层间位移角评价了三种结构的抗震性能。结果表明摇摆桁架-BRB-钢框架体系,在结构耗能减震、失效模式的优化控制,降低结构的残余变形等方面均起到了重要作用,新结构的侧向变形较传统钢框架结构更加均匀,结构整体参与耗能的能力更强。     

芯筒式双法兰刚性连接平面及减震框架试验对比分析

该文提出一种芯筒式双法兰刚性连接平面钢框架及其减震框架,设计并完成了两种框架的子结构拟动力试验,通过对比分析两榀框架的滞回性能、典型部位应变变化、抗侧刚度、耗能能力等指标,研究该类框架的抗震性能。结果表明:在8度多遇及设防地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器可以提供刚度,控制层间位移角,减轻甚至避免结构塑性损伤;在8度罕遇、8度(0.30 g)罕遇、9度罕遇地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器进行滑移摩擦耗能,耗能能力稳定,有效延缓结构塑性损伤,减震框架结构刚度、耗能能力均优于平面框架,平面框架和减震框架芯筒式双法兰刚性连接节点抗震性能良好且减震框架节点抗震性能优于平面框架。     

基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估

为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT（Performance Assessment Calculation Tool）平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。     

多模态静力推覆分析及其在高层混合结构体系抗震评估中的应用

在已有的研究基础上通过考虑多阶振型质量积的水平力分布形式下的推覆分析,将结构推至每阶振型下的目标位移,采用SRSS组合的方式得到结构的响应。对应每阶振型下推覆分析的目标位移采用弹塑性反应谱来计算。对一高层钢框架-混凝土核心筒混合结构在7度罕遇地震下抗震性能进行了评估,结果显示,多模态静力推覆分析所得的结构响应同非线性动力时程分析所得结果很接近,尤其是在层间位移角及层间剪力这两个重要抗震指标上更为接近。     

钢管混凝土柱排架-核心筒结构抗震性能研究

以钢管混凝土柱钢框架-核心筒结构为工程背景,将钢梁与柱、核心筒的节点修改为螺栓连接的铰接节点,制作1/40的缩尺结构模型进行振动台测试,研究结构的损伤特点、动力特性、最大侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和延性需求等。结果表明:震损出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应较显著;核心筒最大层间位移角达1/26,超过规范框架-核心筒结构体系不倒塌限值3.8倍未出现倒塌;钢排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,楼层延性需求差异大。     

损伤可控的含减震外挂墙板RC框架结构抗震性能分析

预制混凝土外挂墙板作为一种高性能外围护构件在装配式建筑中得到广泛应用。为利用外挂墙板与主体结构之间的相对变形,提出在外挂墙板上部和下部分别采用钢筋线连接和U型耗能器（USD）的连接方式,形成含减震外挂墙板RC框架（F-USD）结构;进一步,在结构中加入摇摆墙,形成损伤可控的F-USD结构（F-USDRW）。基于校准的数值模型,进行了动力时程分析,对比了外挂墙板RC框架、F-USD和F-USDRW罕遇地震下USD耗能和结构响应。结果表明:提出的含USD外挂墙板可以实现减震目标;在F-USD中,各层USD耗能分布不均匀,某些楼层USD甚至不屈服;在F-USDRW中,摇摆墙可以有效地控制结构层间剪力和位移分布,各层USD均能够进入塑性阶段,提高了耗能的效率和能力,更有效地降低了结构位移响应和残余变形。     

双段消能摇摆结构体系的地震反应特性研究

单段消能摇摆结构体系通过刚度较大的摇摆结构,能够控制主体结构均匀变形,遏制薄弱层产生。当结构高度较高时,单段摇摆结构的抗弯刚度较难满足抗震设计需求,单段消能摇摆结构体系不适用于高层建筑。基于此,提出了将单段摇摆结构划分为双段、并于分段位置处布设位移型阻尼器的双段消能摇摆结构体系。双段摇摆机制可以抑制薄弱层产生,降低摇摆结构的抗震设计需求。阻尼器能够消耗地震能量,进一步降低结构的地震反应。以双段消能摇摆钢桁架-框架结构为对象,分析对比了支撑-框架结构、单段消能摇摆钢桁架-框架结构、单段摇摆钢桁架-框架结构以及双段摇摆钢桁架-框架结构的抗震性能。采用OpenSees软件建立弹塑性有限元分析模型,进行了弹塑性抗震分析以及增量动力时程分析。研究表明,双段消能摇摆结构体系具有良好的抗震性能与可恢复性能,相比单段消能摇摆结构体系,可以进一步减小结构地震反应和摇摆结构抗震设计需求,该体系能应用于更高的建筑。     

带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型与减震机理研究

提出带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型,将减震层等效为抗转刚度弹簧和抗转阻尼弹簧,构造减震层上部和下部的振型函数,采用假定振型法和虚功原理,推导带耗能减震层框架-核心筒结构在地震作用下的振动控制方程。以典型带耗能减震层框架-核心筒结构为例,采用MATLAB语言编制该简化模型的振动控制方程程序,并与ETABS软件建立的有限元模型进行相互验证,研究带耗能减震层框架-核心筒结构的地震反应和减震机理。研究结果表明:提出的带耗能减震层框架-核心筒结构简化模型有效、可行;利用振动方程的显示表达式揭示了带耗能减震层框架-核心筒结构的减震机理;由复模态分析方法进一步确定了不同减震层位置时结构阻尼的变化规律,优化设计的复模态阻尼比及阻尼器的优化阻尼系数可用于该类结构的初步设计。     

基于构件性能的RC框架-核心筒结构抗震性能研究

钢筋混凝土框架-核心筒结构是目前我国超高层建筑中广泛采用的一种结构体系。以18个满足我国现行规范的典型钢筋混凝土框架-核心筒结构为例,利用Perform-3D软件对模型进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,并采用基于构件性能的结构抗震评估方法判断结构安全性。结果表明,对于不同设防烈度的地震,7度设防的结构安全度最高,7.5度与8度设防次之。将该评估结果与基于层间位移角的评估结果进行对比分析,进一步论证了基于层间位移角的评估方法尚存在不足之处。     

不同类型连梁框架-核心筒结构抗震性能研究

为了研究不同类型连梁对结构抗震性能的影响,利用结构性能评价软件PERFORM-3D对两个设置不同类型连梁的钢筋混凝土框架-核心筒结构进行模态分析、反应谱分析和不同水准地震作用下的动力时程分析。以结构的动力特性、力和位移响应、罕遇地震下结构弹塑性耗能组成和损伤等指标作为性能评估参数,对比分析了不同类型连梁对框架-核心筒结构抗震性能的影响。研究结果表明,不同类型连梁耗能能力相差较大,对框架-核心筒结构的抗震性能有较大影响,设置了弯曲型连梁的框架-核心筒结构在罕遇地震下的塑性耗能主要由连梁提供,核心筒本身具有二道抗震防线,其整体抗震性能优于设置剪切型连梁的结构。     

含可更换剪切型耗能梁段-高强钢组合框筒结构静力弹塑性数值分析

提出了一种震后功能可快速恢复的新型结构体系—含可更换剪切型耗能梁段-高强钢组合框筒结构(简称HSS-SFTS)。为研究和比较HSS-SFTS与传统钢框筒结构(简称FTS)的抗震性能,给出了HSS-SFTS的初步设计方法,采用SAP2000各建立一个40层的HSS-SFTS和FTS算例结构,对有限元模型进行静力弹塑性分析。结果表明:HSS-SFTS在罕遇地震性能点处的层间侧移角小于FTS的相应值,结构延性得到有效提升。结构层间侧移角达到抗震规范弹塑性转角限值1/50时,HSS-SFTS中耗能梁段塑性铰处于LS状态,可以满足抗震规范中"大震不倒"的设计理念。承载力极限状态时,HSS-SFTS的层间侧移角沿结构高度方向分布均匀,没有出现明显的薄弱层,且其塑性变形与损伤主要集中于耗能梁段处,具有理想的整体破坏模式。新型结构体系有效改善了传统框筒结构的抗震性能,降低了水平地震作用,使得除耗能梁段外的非耗能构件受损程度减轻,此种新型高层钢结构更易于震后修复与功能的快速恢复。     

某消能减震钢筋混凝土框架-剪力墙结构弹塑性时程分析

采用新近开发的合理的结构数值分析模型,建立了某实际高层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的有限元分析模型。在此基础上对原结构和布置了非线性粘滞流体阻尼器的减震结构均进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。利用数值分析模型的非线性计算能力和有限元分析软件的后处理功能,获得了最大层间位移分布、基底剪力时程和损伤分布与发展等多项结构地震响应结果。通过对比分析原结构和减震结构的相关结果,表明采用非线性粘滞流体阻尼器这一减震方案可以有效降低结构地震响应,提高结构的整体抗震性能,具有良好的减震效果。     

底部带有屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构抗震性能分析

为减小摇摆墙框架结构强震下位移响应及缓解屈曲约束支撑框架的损伤集中效应,基于损伤集中模式,提出了底部带有屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构体系。以9层钢框架为基准模型,通过推覆分析和动力时程分析对比研究了该结构体系的抗震性能。分析结果表明:BRB屈服前,该结构体系类似框剪结构,BRB提供抗侧刚度并通过墙体进行传递;BRB屈服后,结构发生摇摆,墙体控制变形模式,BRB通过滞回耗能,可以充分发挥结构各部分的抗震能力。     

摇摆桁架-钢框架结构的刚度比需求及地震响应分析

摇摆墙体系作为一种具有良好工程应用前景的新型结构形式被越来越多的工程人员所接受,但其自重大、易开裂、增大结构质量等问题一直困扰着广大科研人员。考虑到传统的摇摆墙体系的诸多不足,该文提出了摇摆桁架-钢框架体系,并对摇摆桁架的设计方法进行了探索与研究,给出了基于需求刚度比的设计建议。基于小、中、大震作用下的时程分析,对耗能构件的能量耗散以及累积位移延性进行了分析,研究了摇摆桁架-钢框架体系塑性铰形成过程以及结构的地震失效模式。结果表明,采用摇摆桁架-钢框架体系能显著改善、优化和控制钢框架结构的地震失效模式,提高结构的抗震性能。摇摆桁架体系作为-种新型摇摆结构,其功能可恢复性明显高于传统的抗震设计结构。     

复杂形体钢框架-钢板核心筒结构的抗震性能研究

首先,使用ABAQUS软件,分析研究了超高层钢框架-钢板核心筒结构(宁夏电视塔方案III)的动力特性。数值结果表明:结构方案III的侧向刚度比钢框架-支撑核心筒结构(方案I)大,扭平周期比减小,扭转效应相应地减弱。钢板剪力墙的条带模型(Strip Model,SM)不仅能准确地模拟出钢板的屈曲后行为,而且能明显地节省计算资源。因此,接着,基于开发出的抗震钢板剪力墙条带模型用户单元子程序(称为UEL for SM),进行9度罕遇地震(620 cm/s2)作用下结构的弹塑性动力时程分析,以检查结构的变形指标和塑性发展情况。数值结果表明:结构的最大层间位移角出现在中部楼层段,结构构件的屈服机制合理体现多道抗震防线。