钢支撑-混凝土框架动力非弹性扭转机理与抗扭设计研究

通过钢支撑-混凝土框架振动台试验研究了钢支撑失稳或其他构件损伤后引起的扭转突然增大问题,即非弹性扭转问题,结果表明钢支撑受压失稳或失效是导致此类结构出现非弹性扭转的重要原因。基于试验结果,分析了钢支撑失稳或失效导致结构非弹性扭转突增的机理;同时建立了设有偶然偏心的有限元模型算例并进行非线性分析,验证了在增加构件数量的条件下该类结构仍存在非弹性扭转突增问题,表明即使是对称结构,在普通钢支撑发生受压失稳及其反向受拉过程中,也会产生非弹性扭转及其突然增大现象。试验和案例分析均表明类似的现象,即在相同加载及偏心条件下纯混凝土框架非弹性扭转虽然存在,但其突然增大值比钢支撑框架结构要小;设置防屈曲支撑抗扭效果显著,优于设置钢支撑的混凝土框架和纯混凝土框架。建议工程设计中设置防屈曲支撑,可有效减控混凝土框架非弹性扭转危害;通过设置质量偏心,对钢支撑-混凝土框架结构进行强震下非弹性扭转响应分析,并在设计上对其最大值加以限制。     

钢支撑-混凝土框架动力非弹性扭转机理与抗扭设计研究

通过钢支撑-混凝土框架振动台试验研究了钢支撑失稳或其他构件损伤后引起的扭转突然增大问题,即非弹性扭转问题,结果表明钢支撑受压失稳或失效是导致此类结构出现非弹性扭转的重要原因。基于试验结果,分析了钢支撑失稳或失效导致结构非弹性扭转突增的机理;同时建立了设有偶然偏心的有限元模型算例并进行非线性分析,验证了在增加构件数量的条件下该类结构仍存在非弹性扭转突增问题,表明即使是对称结构,在普通钢支撑发生受压失稳及其反向受拉过程中,也会产生非弹性扭转及其突然增大现象。试验和案例分析均表明类似的现象,即在相同加载及偏心条件下纯混凝土框架非弹性扭转虽然存在,但其突然增大值比钢支撑框架结构要小;设置防屈曲支撑抗扭效果显著,优于设置钢支撑的混凝土框架和纯混凝土框架。建议工程设计中设置防屈曲支撑,可有效减控混凝土框架非弹性扭转危害;通过设置质量偏心,对钢支撑-混凝土框架结构进行强震下非弹性扭转响应分析,并在设计上对其最大值加以限制。     

布置不同支撑结构的非弹性扭转效应分析与试验研究

为研究布置普通钢支撑或防屈曲支撑结构在地震作用时的非弹性扭转问题,以某对称的框架-支撑结构为实例,加工设计了对比试验模型并进行振动台试验,同时建立某不规则工程结构的有限元对比模型并进行弹塑性时程分析。根据试验现象、层间扭转角曲线和构件内力变化等综合评价结构非弹性扭转效应。研究结果表明:即使在对称结构中也会出现非弹性扭转突增现象,而普通钢支撑压曲失稳是导致该现象的主要原因;防屈曲支撑能够有效减控结构非弹性扭转危害并改善承重构件内力分布情况。     

防屈曲耗能支撑在铰接混凝土框架抗震加固中的应用

在我国部分地区还存在有铰接混凝土框架结构,这种结构体系在设计时未进行抗震设计,如继续使用,应进行抗震加固以使其满足抗震要求。防屈曲耗能支撑克服了普通钢支撑失稳的缺点,具有明确的屈服位移和屈服力,在多遇地震下可保持弹性状态,为结构提供刚度和抗震承载力。在设防烈度地震和罕遇地震下,防屈曲耗能支撑将屈服耗能,从而为结构提供耗能能力。结合防屈曲耗能支撑的特点,提出在铰接混凝土框架结构中的抗震加固方法,并结合实际工程实例,研究加固后结构的耗能能力。     

防屈曲偏心支撑加固钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究

结合2榀1/2比例的3层单跨钢筋混凝土框架低周反复加载拟静力试验研究,对采用防屈曲偏心支撑加固的钢筋混凝土框架结构抗震性能开展研究。通过与未加固试件的对比,对采用防屈曲偏心支撑加固的钢筋混凝土框架结构的破坏形态、承载能力、变形能力、延性和耗能能力等抗震性能指标进行了深入分析。研究结果表明:经合理设计,防屈曲偏心支撑加固框架可有效实现预期的塑性铰机制,达到了防屈曲支撑先于框架结构屈服的设计目标,与未加固对比试件相比,采用防屈曲偏心支撑加固混凝土框架抗震性能显著提高,防屈曲偏心支撑加固混凝土框架具有良好承载能力、弹塑性变形能力和耗能能力。     

偏心钢支撑-钢筋混凝土框架的侧移和地震反应

通过对偏心支撑钢筋混凝土框架试验结果的分析以及性能设计和抗震设计位移控制的比较,对其抗震设计中的变形和性能进行研究。为满足性能设计和三水准抗震设计要求,偏心支撑框架结构的侧移限值应比纯框架结构更严格,而且使得支撑的受压屈曲控制在第一水准位移后,将有利于抗震性能的改善。由于偏心钢支撑的作用,偏心支撑框架结构中柱的剪力明显减小,侧向刚度增大,从而有效地避免了框架结构在地震中柱的剪切破坏和过大的侧移。偏心支撑框架结构的地震反应如最大侧移、最大速度、最大加速度明显降低,结果表明,K型支撑是理想的抗震布置方式。     

基于数值子结构方法的防屈曲支撑高层钢结构地震动力分析

近年来,高层建筑结构地震动力响应分析成为一个热点问题。防屈曲支撑构件(BRB)承载力高,延性与滞能性高,在强震作用下具有良好的耗能性能,正日益普及并用于高层建筑结构。高层建筑结构在地震作用下的失效往往是由部分关键构件损坏引起,而其他大部分构件仍处于弹性或小变形状态。采用常规的整体建模分析和Newton-Raphson迭代方法(NR)效率较低,而数值子结构方法将结构中进入强非线性状态或者发生严重损伤的构件进行隔离并精细化模拟,使大规模的非线性计算转化为主结构的线弹性分析和子结构的非线性分析,从而大大提高计算效率。本文基于数值子结构方法,对采用防屈曲支撑构件的高层钢框架结构进行地震响应分析,其中防屈曲支撑构件作为隔离子结构进行精细化建模分析,主结构部分采用线弹性分析。计算结果与采用钢支撑构件的高层结构进行对比,验证了数值子结构的高效性及防屈曲支撑构件的耗能性能。     

基于构件损伤的屈曲约束支撑钢框架结构地震倒塌易损性分析

构件参与结构抗震的贡献不同,传统结构地震易损性评价指标不能反映此特点,亦不能准确合理评价结构在地震作用下的抗倒塌能力。地震作用下,防屈曲支撑钢框架结构各构件参与抗震方式不同,防屈曲支撑通过轴向变形耗散地震能量,梁端通过弯曲变形耗散地震能量,框架柱通过适当变形保证结构不失稳倒塌。为此,针对防屈曲支撑钢框架整体结构提出基于构件损伤的易损性分析评价指标和方法。通过定义结构极限状态,对比基于不同评价指标的防屈曲支撑框架结构地震易损性分析结果。结果显示:基于单一评价指标的评价方法不能准确评价结构抗倒塌能力,防屈曲支撑钢框架结构虽然由于防屈曲支撑的优越变形能力使得结构耗能能力提升,但梁端仍可能发生破坏。     

防屈曲耗能钢支撑的试验研究

结合自行设计的外包钢筋混凝土防屈曲耗能钢支撑的工程应用项目,完成了7个防屈曲耗能钢支撑和3个普通钢支撑的反复单轴受压和反复拉压试验,比较了两种支撑的受力性能差别。试验研究表明,所设计的防屈曲耗能钢支撑,能使核心钢支撑材料的拉、压强度得到充分发挥;核心钢支撑截面屈服前未发生失稳破坏,达到了防屈曲的目的;核心钢支撑与混凝土之间的无粘结构造措施达到预期要求,且在反复拉压受力下的低周疲劳性能满足工程要求。根据试验结果,提出了防屈曲耗能钢支撑的端部构造措施。     

BRB应用于混凝土框架的弹性层间位移角限值与设计建议

BRB钢支撑即屈曲约束支撑,因其具有承受轴向压力不会发生屈曲、受拉与受压承载力相当、滞回曲线饱满、耗能能力和低周疲劳性能良好等优点,在美国、日本及我国台湾等地区的建筑结构中应用较广.混凝土框架结构,是一种常见的建筑结构形式,其设计简单,施工方便,但是框架结构的抗侧刚度低,在罕遇地震下容易发生较大的侧移甚至是倒塌,而将BRB应用于混凝土框架结构,组成的框架-支撑结构体系,可以很好地解决这一问题.然而现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)对钢支撑-混凝土框架的层间位移角限值的规定不尽合理,本文从结构抗震的性能目标出发,对BRB钢支撑-混凝土框架的弹性层间位移角限值进行了研究,并提出了BRB在混凝土框架结构应用中的设计建议.     

混凝土约束型防屈曲支撑有限元分析

普通支撑在荷载作用下易发生受压屈曲造成支撑刚度和承载力急剧下降,结构延性差。防屈曲支撑通过在支撑外围设置屈曲约束构件,有效约束支撑受压屈曲,保证支撑在整体失稳破坏前核心受力构件达到全截面屈服,使支撑在使用中屈曲耗能而不屈服,因此可用防屈曲支撑代替普通支撑。防屈曲支撑耗能的关键是核心受力构件与外围约束构件之间的间隙。间隙太小,可能导致核心受力构件过早局部屈服;间距太大,则外围约束构件发挥不了套箍作用,因此间隙的取值是防屈曲支撑设计的关键。本文提出一种混凝土约束型防屈曲支撑,并通过有限元计算分析核心受力构件与外围约束构件之间的间隙对其受力性能的影响。结果表明:本文设计的混凝土约束型防屈曲支撑能较好地发挥核心受力构件的承载能力,外围约束构件与核心受力构件间隙为1～3mm时,有良好的耗能能力。     

防屈曲偏心支撑混凝土框架结构恢复力模型研究

对防屈曲偏心支撑混凝土框架结构(BRB frame)进行低周反复试验研究,对试验得到的滞回曲线及骨架曲线进行分析,在已有恢复力模型的基础上,简化得到了防屈曲偏心支撑框架结构的恢复力模型。通过实测滞回曲线与所建立恢复力模型的分析对比,结果表明:所建立的恢复力模型和实测滞回曲线吻合较好,该模型能够较好地描述防屈曲偏心支撑框架在反复荷载作用下的滞回特性。     

厦门新机场结构耗能减震设计研究北大核心CSCD

结合厦门新机场航站楼指廊工程,研究在复杂框架结构中,通过采用防屈曲支撑减震设计方案来满足结构的抗震性能目标的方法。介绍了本工程的结构体系特点、采用防屈曲支撑的必要性以及防屈曲支撑框架的设计方法。防屈曲支撑框架结构的设计包括构件设计和防屈曲支撑框架结构整体抗震性能分析两大部分内容。作为消能减震构件,防屈曲支撑既能在弹性阶段为主体结构提供抗侧刚度,又能在中震、大震阶段通过自身的滞回耗能为主体结构提供附加阻尼比,减小地震能量。从小震、中震和大震三个阶段,深入分析了防屈曲支撑框架的抗震性能,验证了防屈曲支撑在复杂框架结构中良好的减震效果。     

厦门新机场结构耗能减震设计研究

结合厦门新机场航站楼指廊工程,研究在复杂框架结构中,通过采用防屈曲支撑减震设计方案来满足结构的抗震性能目标的方法。介绍了本工程的结构体系特点、采用防屈曲支撑的必要性以及防屈曲支撑框架的设计方法。防屈曲支撑框架结构的设计包括构件设计和防屈曲支撑框架结构整体抗震性能分析两大部分内容。作为消能减震构件,防屈曲支撑既能在弹性阶段为主体结构提供抗侧刚度,又能在中震、大震阶段通过自身的滞回耗能为主体结构提供附加阻尼比,减小地震能量。从小震、中震和大震三个阶段,深入分析了防屈曲支撑框架的抗震性能,验证了防屈曲支撑在复杂框架结构中良好的减震效果。     

自复位防屈曲支撑钢框架减振效果分析

自复位防屈曲支撑构件在拟静力试验中表现出良好的复位性能及耗能能力。但是,自复位防屈曲支撑钢框架中支撑与主体结构的刚度关系,以及结构中的复位系统与耗能系统的关系如何合理设置,都需要借助结构试验或参数分析来解决。根据我国现行规范设计了钢框架结构,在构件试验研究及理论分析基础上给出了自复位防屈曲支撑钢框架结构的三线性恢复力模型,并用有限元软件ANSYS建立结构模型。根据此模型对防屈曲支撑钢框架和自复位防屈曲支撑钢框架结构进行了抗震性能对比。通过自复位防屈曲支撑动力位移反应分析,研究了支撑与结构刚度比αB/M,结构耗能系统与复位系统的屈服力比β及其刚度比αc三个重要参数。结果表明:自复位防屈曲支撑钢框架结构最大位移及残余位移角均小于防屈曲支撑钢框架结构的。结构刚度比αB/M越大越有利于减少残余变形;屈服力比β越大结构位移响应越小;刚度比αc越大结构位移响应越小。在初始设计时,建议钢框架结构的αB/M取为3;β取0.5~0.9;αc取为0.5。     

采用BRB伸臂桁架的某超高层钢结构抗震性能分析

位于8度区某高度为280m超高层钢结构采用内外筒方钢管混凝土框架-中心钢支撑(部分防屈曲支撑BRB)-伸臂桁架-环带桁架结构体系,共设置了863根普通钢支撑,并在结构底部加强区部分斜撑处和伸臂桁架腹杆处一共设置了104根防屈曲支撑.通过有限元法对普通钢支撑拉压不对称进行分析模拟.结果表明初始几何缺陷对普通钢支撑轴力的影响较大,长细比越大受压承载力下降越显著.采用ABAQUS对该结构进行了动力弹塑性时程分析,对结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了论证分析.结果表明,该结构满足"大震不倒"的抗震设防目标.     

用附加防屈曲支撑钢筋混凝土框架加固既有钢筋混凝土框架抗震性能试验研究

利用附加防屈曲支撑（BRB）钢筋混凝土框架对既有钢筋混凝土框架结构进行减震加固。设计3榀钢筋混凝土框架,其中2榀为附加设置BRB加固框架的钢筋混凝土框架,另外1榀为纯钢筋混凝土框架以作对比。通过低周反复加载试验,验证所设计的外贴防屈曲支撑钢筋混凝土框架加固既有钢筋混凝土框架的可行性。分析既有及外贴钢筋混凝土框架的开裂、荷载 侧移滞回曲线、骨架曲线、荷载 防屈曲支撑变形曲线,以及等效黏滞阻尼比和等效刚度等特性。结果表明：所设计的附加钢筋混凝土框架、预埋件、连接构造受力可靠,附加设置BRB的钢筋混凝土加固框架具有良好的减震耗能能力;水平荷载-侧移滞回曲线圆润饱满;防屈曲支撑在小层间位移角下可屈服耗能,大位移下不失效,耗能稳定;附加框架能够显著增加既有钢筋混凝土框架结构的阻尼,有效降低地震反应,改善既有框架结构抗震性能。     

Seismic response of steel frames with self-centeringbuckling-restrained braces

自复位防屈曲支撑构件在拟静力试验中表现出良好的复位性能及耗能能力。但是,自复位防屈曲支撑钢框架中支撑与主体结构的刚度关系,以及结构中的复位系统与耗能系统的关系如何合理设置,都需要借助结构试验或参数分析来解决。根据我国现行规范设计了钢框架结构,在构件试验研究及理论分析基础上给出了自复位防屈曲支撑钢框架结构的三线性恢复力模型,并用有限元软件ANSYS建立结构模型。根据此模型对防屈曲支撑钢框架和自复位防屈曲支撑钢框架结构进行了抗震性能对比。通过自复位防屈曲支撑动力位移反应分析,研究了支撑与结构刚度比αB/M,结构耗能系统与复位系统的屈服力比β及其刚度比αc三个重要参数。结果表明：自复位防屈曲支撑钢框架结构最大位移及残余位移角均小于防屈曲支撑钢框架结构的。结构刚度比αB/M越大越有利于减少残余变形;屈服力比β越大结构位移响应越小;刚度比αc越大结构位移响应越小。在初始设计时,建议钢框架结构的αB/M取为3;β取0.5~0.9;αc取为0.5。     

钢支撑对多层钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性影响研究

为研究钢支撑对钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性的影响，制作了两个1/2缩尺的二层钢框架子结构，其中一个框架布置钢支撑，另一个为纯框架。试验采用位移控制的Pushdown加载方式，对多层钢框架的抗力机制、内力变化以及破坏模式进行研究。试验结果表明：布置钢支撑后，钢框架子结构的初始刚度和极限荷载分别提升129.7%和45.1%,明显提高了钢结构抗连续倒塌的鲁棒性；由于受压支撑在加载初期就开始发生局部屈曲，较早失去承载能力，钢支撑的抗力贡献主要由受拉支撑提供。通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进一步研究了钢支撑布置位置及其截面尺寸对钢框架抗连续倒塌性能的影响，分析结果表明：增大钢支撑的截面尺寸可以明显提高钢框架的承载力，但会降低其变形能力；将钢支撑布置于失效柱上层或顶层时对钢框架的加固效果较好；由于去柱楼层的不确定，建议将钢支撑布置于顶层对框架抗倒塌更为有利。     

防屈曲支撑在高层混凝土框架结构抗震加固中的应用

某十层的纯框架结构建筑检测结果表明,其弹性层间变形和弹塑性层间变形均不满足现行规范要求。采用防屈曲支撑对该结构进行了抗震加固设计,并基于SATWE软件分析了其小震下的结构性能。利用SAP2000软件,基于Pushover分析方法进行了抗震性能分析。由分析结果得知,防屈曲支撑增加了结构的抗侧刚度,增强了结构延性,改善了原结构薄弱层的抗震承载力。经防屈曲支撑加固后的结构,其变形特性仍与原框架结构类似。对实际工程所采用的防屈曲支撑进行了抗震性能抽检试验,结果表明,构件力学性能与设计数据吻合良好。防屈曲支撑技术用于高层框架结构的抗震加固具有良好的技术优势。