高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能研究

为了合理评估高强钢组合K形偏心支撑框架(K-HSS-EBFs)的抗震性能,设计了一个20层K-HSS-EBF结构,选取10条地震记录对其进行增量动力分析(IDA)。探讨了在强震作用下结构的薄弱部位、耗能梁塑性区的形成和发展、耗能梁变形和最大层间位移的关系,得到了结构概率分位值为10%、50%和90%的IDA曲线以及位移延性系数,结合定义的性能参数评估了结构的抗震性能。研究表明:随着峰值地震加速度的增加,各层耗能梁先后进入塑性,并逐渐发展,吸收地震能量;K-HSS-EBFs的易损曲线能很好地反映其抗震性能;按我国规范设计的高强钢组合K形偏心支撑框架偏保守,能承受远大于设防烈度的地震作用,造成结构设计的浪费。     

高强钢组合K形偏心支撑框架抗震性能对比研究

为研究不同强度组合、不同层数高强钢组合K形偏心支撑框架结构(K-HSS-EBFs)的抗震性能,设计了10层、15层和20层三组不同强度组合的K形偏心支撑框架结构算例,选取10条地震记录对其进行动力时程分析,得到各算例在不同水准地震作用下的层间位移角,耗能梁段转角和塑性应变。研究表明:K-HSS-EBFs的层间侧移角沿结构高度分布与普通钢偏心支撑框架结构一致;罕遇地震作用下,K-HSS-EBFs的层间位移角满足抗震规范的限值要求,K-HSS-EBFs具有良好的耗能能力和足够的承载能力;Q690-X承受的地震作用和耗能梁段转角更大,用规范规定的弹塑性层间位移角限值作为控制指标进行设计偏保守;基于性能的抗震设计方法能够保证EBFs在罕遇地震作用下仅耗能梁段进入塑性,其他构件保持弹性,突出耗能梁段在偏心支撑结构中的耗能作用。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能混合试验

为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能,建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统,进行了一个1:2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性,分析了试验子结构的位移加载精度,作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载,分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明:作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近,最大相对误差为13.60%,各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右;随着地震波加速度峰值的增大,模型的自振频率下降,刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处,以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197,符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上,基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应,高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架弹塑性状态的层剪力分布研究

高强钢组合偏心支撑钢框架结构中耗能连梁作为屈服构件采用普通钢（如Q345）,而非耗能构件采用高强度钢材（如Q460）,高强钢构件不仅有效降低了构件截面、节约钢材、降低造价,而且减弱了偏心支撑结构的刚度,使得层剪力分布状态与传统偏心支撑结构不同。为了研究这种新型结构在罕遇地震作用下的弹塑性层剪力分布状态,依据偏心支撑钢框架结构基于性能的设计方法设计了具有理想失效模式的5层、10层、15层和20层算例,并考虑了近场地震速度脉冲效应和远场地震加速度循环累计效应对结构的影响,采用动力时程分析方法计算结构在罕遇地震水准下的响应,根据结构弹塑性层剪力的平均值,提出了与我国规范相一致的弹塑性层剪力分布模式,并对比了已有的层剪力分布模式,该文建议的层剪力分布模式具有更高的精度,可为高强钢组合K形偏心支撑能量设计方法和塑性抗震设计理论提供参考依据。     

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。     

基于性能的偏心支撑钢框架抗震设计方法研究

偏心支撑钢框架的理想失效模式为每层耗能连梁均屈服,底层柱脚形成塑性铰,传统设计方法基于强度设计理论,很难保证结构的弹塑性受力状态。该文提出了偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(PBSD),该方法以结构的目标侧移和失效模式来预测和控制结构的非弹性变形状态,保证偏心支撑钢框架在大震作用下各层连梁均参与耗能,而其他构件仍保持弹性,即偏心支撑钢框架的层间侧移趋于均匀,避免结构薄弱层的出现,便于偏心支撑钢框架的震后修复。依据PBSD方法分别设计了10层K形和Y形偏心支撑钢框架算例,采用静力推覆分析和非线性时程分析验证该设计方法的合理性,分析结果表明:依据PBSD方法设计的偏心支撑钢框架的极限状态接近于理想整体失效模式,即结构非弹性变形主要集中在耗能连梁中发生,且各层连梁均参与耗能,没有薄弱层出现。该方法为偏心支撑钢框架的工程优化设计提供了参考依据。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构基于性能的塑性设计方法研究

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构（YEBF）的耗能梁段采用屈服点较低的钢材,框架梁、柱采用高强度钢材,采用高强钢可有效减小构件截面,节约钢材,降低造价。现行设计规范中偏心支撑结构基于弹性理论进行设计,采用内力放大系数的方法保证结构在罕遇地震下耗能梁段进入塑性,其他构件保持弹性,结构的弹塑性变形可能过于集中而出现薄弱层。该文提出了采用基于性能设计方法（PBPD）设计剪切屈服型耗能梁段YEBF结构（S-YEBF）,以目标位移和理想的整体破坏模式为作为预测和控制结构弹塑性受力状态的性能目标,保证结构在罕遇地震作用下各层耗能梁段均能参与耗能,使结构层间侧移角分布趋于均匀,避免出现薄弱层。根据PBPD方法设计了多层S-YEBF结构,对其1/2缩尺模型进行了振动台试验以评估其抗震性能。通过非线性静力推覆分析和动力时程分析对比了分别采用PBPD方法和传统设计方法设计的10层S-YEBF结构算例的抗震性能。结果表明:采用PBPD方法设计的S-YEBF结构具有良好的抗震性能,结构呈较为理想的整体破坏模式,在罕遇地震作用下,各层耗能梁段均参与耗能,层间侧移角沿结构高度方向分布较均匀;与传统设计相比,PBPD方法设计的S-YEBF结构层间侧移角分布更均匀,并且可节省一定的钢材;PBPD设计方法可以为S-YEBF结构的工程设计提供参考。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构抗震性能简化分析方法研究EI北大核心CSCD

通过对1∶2缩尺三层Y形高强钢组合偏心支撑框架结构(Y-HSS-EBF)模型试件的振动台试验,考察了结构的抗震性能。基于结构的恢复力模型与等代拉杆简化模型,采用SAP2000程序中的多线段塑性Kinematic连接单元代替拉杆,进行Y-HSS-EBF结构的地震反应简化分析,并将简化分析计算结果与试验结果、有限元计算结果进行了对比。研究结果表明:Y-HSS-EBF结构具有良好的抗震性能;由简化计算方法得到的Y-HSS-EBF结构滞回曲线与试验结果基本一致,简化分析模型能较好地模拟结构的非线性性能;振动台模型的简化计算结果具有一定的精度,简化分析模型能够较好的用于Y-HSS-EBF结构的弹性与弹塑性地震反应分析。在初步设计时,可采用简化分析模型对结构地震作用进行计算。     

可恢复功能的预应力装配式钢框架动力弹塑性分析

针对提出的可恢复功能的预应力装配式钢框架结构体系,采用ABAQUS软件对其整体结构进行了模态分析和动力弹塑性分析,并与刚接框架及可恢复功能的预应力钢框架在不同水准地震动下的楼层基底剪力、层间位移角、残余位移角、等效塑性应变以及结构耗能等性能进行对比分析。研究表明:可恢复功能的预应力装配式钢框架在8度多遇、设防地震作用下基本保持弹性,在8度罕遇地震时结构主要依靠阻尼耗能和摩擦阻尼器耗能,非弹性耗能相对较少,减少了主体结构的塑性发展和损伤程度,具有良好的抗震性能和恢复结构功能的能力。可恢复功能的预应力装配式钢框架在层间位移角控制和减少主体结构塑性性能方面优于可恢复功能的预应力钢框架。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构抗震性能简化分析方法研究

通过对1∶2缩尺三层Y形高强钢组合偏心支撑框架结构(Y-HSS-EBF)模型试件的振动台试验,考察了结构的抗震性能。基于结构的恢复力模型与等代拉杆简化模型,采用SAP2000程序中的多线段塑性Kinematic连接单元代替拉杆,进行Y-HSS-EBF结构的地震反应简化分析,并将简化分析计算结果与试验结果、有限元计算结果进行了对比。研究结果表明:Y-HSS-EBF结构具有良好的抗震性能;由简化计算方法得到的Y-HSS-EBF结构滞回曲线与试验结果基本一致,简化分析模型能较好地模拟结构的非线性性能;振动台模型的简化计算结果具有一定的精度,简化分析模型能够较好的用于Y-HSS-EBF结构的弹性与弹塑性地震反应分析。在初步设计时,可采用简化分析模型对结构地震作用进行计算。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁 梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。     

磁流变阻尼器优化设计及结构地震损伤控制

该文通过LS-DYNA 程序二次开发了磁流变(MR)阻尼器的Bouc-Wen动力滞回模型、半主动控制律和钢材的弹塑性损伤本构模型,进而实现应用通用有限元程序精细化模拟受控结构损伤发展过程的目的.基于损伤本构模型,提出结构构件和结构层的抗震性能指标,并应用该指标对结构各层阻尼器的最大出力进行优化设计.对一9 层Benchmark 钢框架结构进行损伤控制研究,采用IDA 方法对控制前后结构的抗震性能进行分析,结果表明:MR 阻尼器优化设计后受控结构的损伤累积效应较无控结构明显减小,损伤分布范围更广,塑性耗能能力和抗震能力都得到显著提高.     

基于概率统计方法的隔震结构可靠度

该文用概率统计的方法分析隔震结构的抗震可靠度。对两个实际的隔震结构建立三维有限元模型并进行时程分析,求得层相对加速度、层间位移角、隔震支座剪应变和压应力等结构的动力响应参数,同时,收集隔震支座力学性能的实验数据并结合数值模拟,用假设检验方法,明确了隔震结构的各动力响应参数和隔震支座的抗力参数均服从对数正态分布,再用最大似然估计法,得到了隔震结构各动力响应和隔震支座抗力的概率特征参数。给定隔震结构的失效模式,建立以结构抗力和反应为变量的功能函数,采用一次二阶矩法,分析隔震体系的抗震可靠度,结果发现:按目前《建筑抗震设计规范》的隔震结构,与非隔震结构相比,即使上部结构的水平地震作用减小60%~70%,也不一定能达到“中震不坏”和“极大震不倒”的抗震性能目标,说明在编的《建筑隔震设计规范》对隔震建筑提出更高的要求。     

基于显式算法的RC框架结构抗地震倒塌能力分析

相比于传统动力学分析所采用的隐式算法,显式算法非线性分析的收敛性更好,适宜用来分析结构在倒塌状态附近的强非线性行为。该文基于OpenSees软件平台,采用一种基于修正蛙跳法的显式算法,对按我国规范设计的6个钢筋混凝土（RC）框架结构的抗倒塌能力进行了评估,获得了结构的倒塌易损性曲线,计算得到了结构的倒塌裕度比。在分析过程中,该文对4种不同判据对抗地震倒塌能力的影响进行了分析。其中,第1和第2种判据分别对应我国和美国规范建议的弹塑性层间位移角限值1/50和4%;第3种判据以IDA（Incremental DynamicAnalysis,增量动力分析）曲线上切线斜率低于初始线弹性阶段斜率的20%时的点为结构倒塌点;第4种判据则以结构竖向位移达到1 m来定义结构倒塌状态。分析结果表明:显式算法具有更强的结构非线性分析能力,因此可以更好地模拟结构的倒塌极限状态。判据1~判据3更适宜在结构设计时被用来控制结构倒塌,而判据4利用了结构倒塌的物理意义,其评估结果更接近结构的真实抗倒塌能力。     

跨地裂缝带支撑RC框架结构振动台试验研究

研究跨地裂缝结构在地震作用下的灾害控制措施,以一个跨越西安f₄地裂缝的5层RC框架结构为研究对象,通过对非一致性地震激励下跨地裂缝无支撑结构和不同布置形式的带支撑结构进行数值分析对比,找出了跨地裂缝结构的薄弱位置,确定了合理的支撑布置方案,并以此为依据设计并完成了一个缩尺比为1:15的跨地裂缝带支撑结构振动台试验,分析了不同工况下跨地裂缝带支撑结构的抗震性能,得到了该结构在不同地震激励下的破坏形态、动力特性和动力响应规律。研究结果表明:地裂缝的存在增大了跨地裂缝结构的动力响应,且上盘对结构的影响大于下盘;该支撑布置提高了跨地裂缝结构的抗侧刚度,减小了结构在地裂缝和地震共同作用下的动力反应;同时,支撑在结构破坏前发生屈服,其屈服变形不仅耗散了地震能量,降低了结构损伤,而且实现了多道抗震设防,使跨地裂缝结构得到了有效保护。该研究成果为跨越地裂缝结构灾害控制提供了科学依据。     

不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究

钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足“大震不倒”的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。     

基于纤维模型的拱形断面地铁车站结构弹塑性地震反应时程分析

采用基于粘弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法,并采用钢筋混凝土纤维模型程序THUFIBER模拟地铁车站结构,使用大型通用有限元软件MSC.Marc对北京市一座拱形断面结构型式的单层三跨岛式站台车站进行了水平向弹塑性地震反应时程分析.计算结果表明:结构边跨拱形顶板的中段、柱上端是水平方向加速度与位移反应强烈部位;柱是结构抗震受力最不利部位,且柱上端与下端所受轴力相差不大,但柱上端所受到的弯矩更大,这使得在强地震作用下,柱上端有可能在较大弯矩作用下先于柱下端破坏;拱形断面结构型式可以有效的减小作用在拱形顶板上的弯矩,而代之以承受相对较大的轴力,因此相对于矩形断面结构型式,拱形断面的受力要更合理和更有利.此外,数值分析结果还表明:相对于目前广泛采用的设计基本地震加速度,对地铁车站等地下结构进行抗震分析及设计时采用自由场地面与基岩间的峰值相对位移(PGRD)作为设计地震动参数更为合理和有效.     

强震作用下附设粘滞阻尼器RC框架结构的 耗能机制与抗倒塌性能研究

大量震害调查结果表明强震作用下普通RC框架结构很难避免出现薄弱层的累积耗能集中,以致结构倒塌。作为一种已推广应用的耗能装置,粘滞流体阻尼器可在不改变原有结构体系刚度分布的前提下有效耗散地震输入能量,提高结构抗倒塌性能。根据中国现行抗震规范设计了三组不同高度的RC框架结构,并分别进行了附设粘滞阻尼器的消能减震设计。采用弹塑性时程分析方法对各结构进行了地震响应计算,对比了减震前后结构的累积滞回耗能分布模式和耗能机制,并且采用基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了各结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备。结果表明,附设粘滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制,降低主结构构件的损伤程度,有效提高结构的抗倒塌性能。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁振动台阵试验研究

为了研究钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的抗震性能,以干海子大桥为原型,设计制作了几何缩尺比例1∶8的两跨钢管混凝土组合桁梁-格构墩试验模型,利用福州大学地震模拟振动台台阵系统,采用实桥的设计地震波,进行了该轻型桥梁的基本动力特性试验、抗震性能试验及破坏特性研究。结果表明,模型实测频率和位移与实桥满足相似比关系;在横向或纵向地震作用下,桥墩格构式区域加速度放大效应明显,减小了主梁混凝土顶板的加速度响应;相同强度下,横桥向地震作用桥墩应变大于纵桥向地震作用,同时可以不考虑纵、横向地震力共同作用。在设计地震动作用下,墩顶位移满足位移限值的规定;模型未出现开裂和破坏现象,表明钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁具有良好的抗震性能。     

基于简化IDA的结构地震损伤评估方法

将等效单自由度（SDOF）体系假设与Pushover分析方法相结合,建议了一种简化的增量动力分析（IDA）方法。给出损伤指数R与结构反应限值和抗震三水准的对应关系。根据结构抗震失效概率公式给出结构地震损伤概率计算方法,进一步得到结构在不同地震强度下的损伤指数期望值R_e,用以评估结构的地震损伤等级。在此基础上建立了基于简化IDA的结构地震损伤评估方法。为了验证所提出的方法,按照不同场地设计了三幢结构模型,选取了典型地震动记录作为结构的水平地震动激励,对结构模型进行了IDA、地震易损性分析和地震损伤评估。通过算例分析表明,基于简化IDA的结构地震损伤评估方法计算量小,易于操作,但得到的结构损伤值较大,抗震评估结果偏于安全。