等效线性化方法在自复位防屈曲支撑结构中的应用

自复位防屈曲支撑(SCBRB)由复位系统和耗能内芯组成,由于其综合了自复位体系和防屈曲支撑的优点,经过合理设计可兼具良好的复位及耗能能力,因此更有利于实现可恢复的结构这一抗震目标。若主体结构保持弹性,则自复位防屈曲支撑框架(SCBRBF)的简化恢复力模型为双线性弹性+双线性弹塑性合成的三线性滞回模型。等效线性化方法的精度对于等效阻尼比和等效刚度的计算方式比较敏感,不同的恢复力模型以相同的等效线性化方法计算精度也不相同,因此应根据具体情况对结果进行修正,以提高计算精度和结构的安全性。首先,分别对两种等效线性化方法计算自复位防屈曲支撑结构地震位移的平均误差及变异系数展开了参数研究。结果表明:由于SCBRBF的非线性和塑性程度均低于理想弹塑性结构,因此与理想弹塑性结构相比,用两种等效线性化方法评估自复位结构地震位移反应时,尤其在周期大于0.3 s时,精度显著提高;等概率幅值平均等效线性化方法由于考虑了所有位移对等效阻尼比和等效刚度的贡献,因此比割线刚度法更为精确。其次,根据分析结果给出了不同等效线性化方法在计算SCBRBF时的修正系数。最后,根据阻尼比函数得到各个参数对阻尼比的影响规律,并给出最佳延性比。     

主余震下自复位支撑RC框架结构性能研究

基于地震动峰值和频谱,提出了一种适用于地震工程领域、流程简单的主余震序列构造方法,构造出7条主余震序列地震动。对一12层的预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑RC框架结构在主余震下的抗震性能进行分析,并与防屈曲支撑(BRB)结构进行对比。结果表明：两种支撑都具有稳定的滞回性能,且滞回环饱满;PS-SCED支撑还具备良好的自复位特性,PS-SCED支撑结构最大残余位移角比BRB结构减小74.7%;在主余震序列作用下,PS-SCED支撑结构的顶层残余位移角和结构耗能比仅主震作用下的值增大,最大增幅为35.3%和19.6%。余震会使结构的耗能和损伤增加,PS-SCED支撑能够显著提高RC框架结构的抗震性能。     

一种抗震性能化设计方法及在防屈曲支撑钢框架结构中的应用

该文围绕防屈曲支撑钢框架结构提出了一种新的抗震性能化设计方法。在选取性能目标时，为了兼顾建筑中结构主体和非结构成分的地震安全，该方法选取了峰值层间位移角、峰值楼面加速度和残余层间位移角共同作为性能目标。以等效单自由度体系的弹塑性时程分析计算结果进行参数分析，掌握防屈曲支撑钢框架结构随基本周期和强度折减系数变化的地震响应规律；根据结构动力学理论将单自由度体系的计算结果推广至多自由度体系；基于此发展出一种新的抗震性能化设计方法。为演示和论证该方法的有效性，该文选取了一栋六层防屈曲支撑钢框架结构的基准模型进行抗震设计，并开展一组地震动作用下的弹塑性时程分析。抗震性能评估的结果表明:由该方法设计的结构能够较好地同时满足多个设计目标的要求。该文的设计方法对于其他类型结构的抗震设计也具有一定的借鉴价值。     

设置自复位支撑的钢筋混凝土框架结构抗震性能研究

提出了一种能准确描述预压弹簧自复位耗能（PS-SCED）支撑滞回性能的力学模型,引入状态变量区分支撑不同工作阶段从而确定其力学响应。基于ABAQUS平台对该力学模型进行二次开发,将开发的PS-SCED支撑单元模拟结果与支撑力学性能试验结果进行对比,并对设置PS-SCED支撑的3层钢筋混凝土框架结构进行抗震性能分析。结果表明:该支撑单元模拟得到的滞回曲线与试验结果吻合较好,可准确描述支撑在动力荷载作用下的力学性能;强震作用下,PS-SCED支撑能够充分耗散地震能量,有效控制结构的塑性变形;此外,PS-SCED支撑框架结构相比于原框架结构残余变形减小了72.1%~92.1%。PS-SCED支撑具备良好的耗能能力和自复位特性,能够显著提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能。     

直接基于位移的预应力混凝土框架结构抗震设计方法

通过对传统直接基于位移的抗震设计方法中等效单自由度体系的等效刚度计算方法的改进,减少了影响等效刚度计算结果准确性的不确定因素,并将其应用于直接基于位移的预应力混凝土框架结构的抗震设计,提高了设计方法的有效性。该文根据是否考虑裂缝控制和强柱弱梁要求,采用上述设计方法设计了四种不同配筋的预应力混凝土框架,其静力弹塑性分析结果表明性能点结构位移均满足性态目标的要求,设计方法是有效的。同时,预应力框架结构的裂缝控制、预应力度、柱的配筋方式、强柱弱梁及其他抗震构造要求等将造成在设计需求地震作用下框架结构的承载力严重超强,并导致性能点的位移不同程度小于目标位移。     

用带防屈曲支撑的内嵌式钢框架加固混凝土框架的试验研究

针对既有混凝土框架抗震性能的不足,研究增设防屈曲支撑(BRB)的消能减震加固技术方案。为尽量减少原主体结构的受力负担、提高加固效果,设置了内嵌式钢框架并安装BRB,对加固后的混凝土框架进行了试验研究。该文设计、制作了2榀用此法加固的混凝土框架,1榀纯混凝土框架作为对比。通过低周反复荷载试验,研究了荷载-侧移滞回曲线、骨架线、支撑轴向变形曲线、等效刚度及退化规律、等效粘滞阻尼比等抗震减震性能。结果表明设计的减震加固混凝土框架荷载-侧移滞回曲线饱满,BRB耗能稳定,能显著提高结构承载力,增加结构阻尼,有效降低地震反应。内嵌式钢框架传力可靠,可有效平衡支撑承载力,充分发挥BRB的作用,挖掘梁、楼板的延性潜力,改进了受力工作机制,抗震性能改进明显。     

多层剪切型支撑钢框架整体稳定性的解析算法研究

剪切型支撑钢框架整体稳定计算需考虑钢框架与剪切型支撑之间的相互作用,还需要考虑同层柱间的相互支援以及层与层之间的支援作用,规范计算长度系数法无法考虑这些因素可能会造成不合理设计。提出了一种计算多层剪切型支撑钢框架整体稳定性的解析算法,首先分析了支撑刚度与结构临界承载力之间的关系,推导了层临界支撑刚度计算公式,接着利用弹簧-摇摆柱力学模型推导了任意支撑下框架柱临界刚度比系数计算公式,然后将各楼层的有效抗侧刚度及荷载刚度进行楼层间的组装,将求解剪切型支撑钢框架的临界承载力转化为求解结构的楼层有效抗侧刚度,最后基于轴力权重加权平均的方法推导了可直接求解多层剪切型支撑钢框架临界承载力的计算公式,该公式能够判断结构的薄弱层,可以定量地计算楼层之间相互支援程度,有效地弥补规范尚无法求解弱支撑钢框架柱计算长度系数的不足。     

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。     

节点性能对分层装配支撑钢框架抗震性能的影响研究

该文以分层装配梁贯通式支撑钢框架为对象,通过引入节点弯矩-转角本构模型的数值模拟方法,研究节点刚度和承载力设置对结构体系抗震性能的影响。分析结果表明,节点刚度对结构自振频率影响不大,但影响结构在静力推覆下的失效演进模式和地震作用下的滞回特性,节点刚度小于4倍相邻柱线刚度时,结构不能满足罕遇地震下的层间位移角限值要求;节点承载力对静力推覆下结构的极限承载力影响很小,对罕遇地震作用下的结构滞回特性和层间位移分布几乎没有影响。     

地震-风耦合作用下钢框架-自复位支撑筒结构性能研究

基于自回归模型分别模拟重现期为1年、10年和50年下不同高度处的风荷载时程,并与不同峰值加速度的地震动记录进行组合,对一布置预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑的50层钢框架-自复位支撑筒结构在地震-风耦合作用下的性能进行研究。结果表明:在地震-风耦合作用下,风荷载强度的增大对结构层间位移角的增大效果并不显著,结构层间位移角主要由地震动强度控制;风荷载强度越大,结构层间变形集中程度越小;地震动强度越小,风荷载对结构基底剪力影响越显著;地震动强度越大,地震-风耦合作用下结构各层加速度放大系数与地震单独作用下的结果差异越显著;PS-SCED支撑在地震-风耦合作用下能充分发挥耗能能力,有效保护主体结构,其良好的自复位特性能有效减小结构的残余变形。     

预压弹簧自恢复耗能支撑恢复力模型与滞回特性研究

为研究新型预压弹簧自恢复耗能支撑结构的自恢复性能和耗能性能,对预压弹簧自恢复耗能支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性进行了模拟研究,分析了自恢复耗能支撑旗形滞回曲线的特点,给出了支撑恢复力的计算方法,建立了基于Bouc-Wen模型的预压弹簧自恢复耗能支撑恢复力模型,并与ANSYS数值模拟结果进行了对比,结果表明建立的恢复力模型可准确模拟支撑在动力荷载作用下的力学性能。恢复力-位移曲线整体吻合程度较高,该恢复力模型对自恢复耗能支撑结构的设计及抗震性能研究具有较好的参考价值。     

自复位变阻尼耗能支撑的力学原理与性能研究

为解决现有自复位支撑起滑力大的问题,提出了一种新型自复位变阻尼耗能支撑。支撑采用组合碟簧提供复位能力,通过构造设计实现磁流变液变阻尼耗能。对其变阻尼特性进行了分析,建立了描述其滞回特性的恢复力模型,提出了基于性能需求的支撑设计边界条件。对支撑整体和阻尼耗能装置磁场进行了模拟,结果表明,支撑具有饱满的类旗型滞回曲线,起滑力小、无残余变形、拉压对称,能够兼顾不同振动强度下的性能需求,有效控制结构振动响应。分析了支撑设计参数对滞回性能的影响,为提高复位与耗能能力,设计时组合碟簧预压力应略大于初始阻尼力,同时应增大组合碟簧刚度、提高最大阻尼力、减小变阻尼区间。与现有自复位支撑相比,起滑力大幅降低、起滑刚度比增加,在相同自复位装置设计下等效粘滞阻尼比与最大承载力也有较大提高。     

非弹性单自由度体系附加粘滞阻尼器基于性能的抗震设计

消能结构的传统设计使用反复试算法设计附加阻尼器,这费时费力。在基于性能的抗震设计框架内,提出了粘滞阻尼器基于改进能力谱法的直观设计法。满足一种给定性能准则的总粘滞阻尼比,可由有效阻尼比的总需求减去总固有阻尼比与结构构件滞回变形的等效阻尼比之和算得。结合我国的设计反应谱和10条地震动平均反应谱,给出了简化设计方法的具体步骤。时程分析结果表明,按该法设计的附加粘滞阻尼器结构的最大位移与给定的目标位移吻合较好。     

钢支撑设计方法对多层框架实际抗震性能的影响

钢结构支撑设计分人为放大支撑内力设计的强剪型支撑架和不放大内力设计的弱剪型支撑架,该文对4条地震波作用下的强剪型和弱剪型支撑架的地震响应进行了非线性弹塑性时程响应分析,结果表明:1)强剪型支撑架,不仅增大了地震力,且柱先于支撑屈服发生无侧移失稳,导致结构水平和竖向位移快速增加;而弱剪型支撑框架在地震下发生有侧移变形;2)强剪型支撑架的层间剪力-位移时程响应曲线和支撑的应力应变响应曲线、柱子应力应变响应曲线封闭面积较小,表明结构即使具有耗能能力,也难以发挥作用。并且耗能只是依靠柱的无侧移屈曲,对抗震结构比较危险,而且是一种单一的抗侧力体系;3)弱剪型支撑框架中,支撑能够更早发生屈服,然后支撑和框架继续发生侧移变形,组成支撑架一部分的框架能够起到第二道防线的作用,支撑和梁柱的延性及耗能能力能够充分发挥作用。根据上述分析结果,该文认为不宜人为放大支撑内力,并增加支撑先于柱子屈服的机构验算,保证最薄弱层支撑屈服后属于支撑架一部分的柱子仍基本在弹性阶段工作。     

采用多自由度转子模型的电磁轴承支承特性测试方法

为描述主动电磁轴承的支承特性,通常是沿袭传统机械轴承支承的刚度阻尼概念,称之为等效刚度和等效阻尼。由于电磁轴承的支承特性与其控制策略有关,因此确定电磁轴承的等效刚度和等效阻尼值相对困难。已有的电磁轴承等效刚度和阻尼测试方法大多是基于单自由度模型的,难以用于实际多自由度电磁轴承-转子系统的刚度阻尼测量,甚至无法实际操作。针对上述问题,首先从理论上分析了采用等效刚度和等效阻尼概念表示电磁轴承支承特性的描述局限性和适用范围,然后提出了一种基于多自由度转子模型的对电磁轴承等效刚度和等效阻尼进行直接测量的方法。实验结果表明该方法能够实时地对电磁轴承-转子系统的等效刚度和阻尼值进行准确识别,其结果可以作为电磁轴承动力学特性研究的依据。     

高强钢框架-屈曲约束支撑体系抗震性能研究

针对高强钢结构在抗震设计中存在的结构延性差、刚度小的问题,提出了高强钢框架-屈曲约束支撑结构。为研究此类结构的抗震性能,对2个足尺单榀单跨单层试件进行了拟静力加载试验,观测了结构在水平往复荷载下变形特征与破坏模式,分析了结构及构件滞回曲线特征,探讨了试件强度退化、刚度退化、塑性变形、耗能能力以及钢框架和屈曲约束支撑的承载力分配和耗能分配。结果表明:高强钢框架-屈曲约束支撑结构滞回性能稳定,塑性变形及耗能能力强,最大水平层间位移角达3%,最大等效阻尼比达30.4%～36.3%。试件破坏模式为整体延性破坏,最终失效模式为柱底翼缘严重局部屈曲以及柱底焊缝撕裂。水平荷载由钢框架与屈曲约束支撑共同承担。当水平位移角在1.5%以内时,塑性变形集中于屈曲约束支撑,钢框架塑性变形仅占总变形的3%～5%,塑性损伤较小,可通过性能化设计方法将结构的塑性变形限制与屈曲约束支撑,可实现震后快速修复。当层间位移角在1.5%以内时,屈曲约束支撑耗能占结构总耗能的95%以上。采用ANSYS软件建立了相应的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。     

新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究

提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。     

消能限位型钢支撑抗震性能试验研究及结构地震易损性分析

该文提出一种消能限位型钢支撑以期改善建筑结构抗震性能,设计了5个钢支撑,设计参数为限位位移、限位块数量、钢芯截面尺寸及长度。通过低周往复加载试验对5个钢支撑的破坏特征、滞回特性、骨架曲线和刚度等抗震性能进行了研究。基于IDA分析评估了含钢支撑框架结构模型的抗地震倒塌性能。结果表明:该钢支撑构造合理,滞回性能稳定;增设限位块后可发挥限位作用,并可提供较大的附加刚度;限位块数量和截面尺寸以及其与支撑工作段连接面焊缝的刚度影响附加刚度的提升程度;该文提出的钢支撑各阶段刚度计算公式所得结果与试验值符合较好,可为钢支撑设计提供参考;设置含有限位块的消能限位型钢支撑结构的倒塌储备系数提高,有利于改善底层柔性结构的抗倒塌能力。