多层钢框架偏心支撑的抗震性能试验研究

偏心支撑钢框架结构是一种比较理想的多层钢结构抗侧力体系,刚度大,受力性能合理。为了研究偏心支撑钢框架在地震作用下的滞回性能,为多层钢框架偏心支撑结构体系设计提供试验依据,选用耗能梁长度为可变参数,完成了2个不同构造形式的弯曲型耗能梁-偏心支撑框架在水平低周循环荷载下的破坏试验,分析了框架的承载能力及变形特征,研究了框架的破坏模式。研究表明,偏心支撑框架在弹性阶段内具有良好的变形能力,屈服荷载和框架刚度随弯曲型耗能梁长度增加呈下降趋势;偏心支撑框架能够控制框架破坏模式,地震作用下框架在耗能梁段屈服后屈曲破坏,破坏发生在耗能梁端部翼缘和支撑与柱脚连接的节点板位置,降低了梁柱节点受力。     

新型自复位K型偏心支撑钢框架抗震性能分析

将K型偏心支撑钢框架的耗能梁换成形状记忆金属(Shape Memory Alloy,简称SMA)材料,通过SMA材料的超弹性为结构提供复位力,实现自复位K型偏心支撑钢框架的构想。为考察该新型自复位K型偏心支撑钢框架的抗震性能,应用ANSYS有限元软件建立K型偏心支撑钢框架多尺度有限元模型,在验证有限元模型合理的基础上,设计传统K型偏心支撑钢框架和自复位K型偏心支撑钢框架,采用10条强震记录分别进行罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。研究表明:新型自复位K型偏心支撑钢框架震后残余变形较小,能较好地实现结构的自复位,耗能梁腹板处应力分布与传统结构较为相似,但耗能能力及侧向变形能力较传统结构有所弱化。     

Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能分析

Y型偏心支撑钢框架是一种偏心抗震耗能的结构形式。采用曲壳单元和梁单元相结合的非线性有限元分析模型,自编计算程序,分析了Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能,提出了相应的抗震设计对策和建议。     

偏心支撑钢框架在循环荷载作用下非线性有限元分析

偏心支撑是高层钢结构中一种有效的抗震耗能的结构形式 ,针对这种结构形式 ,对变形大、进入塑性的耗能梁段采用退化曲壳单元 ,其余部分采用梁单元的非线性有限元分析模型 ,以此来分析偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的耗能性能 ,并编制了相应的计算程序。算例分析表明 ,此计算模型精确、高效     

长耗能梁-偏心支撑机制对中心支撑钢框架结构抗震性能的影响

为研究地震作用下人字形中心支撑钢框架结构因支撑的部分失效导致的长耗能梁-偏心支撑机制对结构抗震性能的影响,基于ABAQUS建立了6层人字形中心支撑钢框架结构数值模型,开展了增量动力分析与易损性分析,对比了考虑与不考虑长耗能梁-偏心支撑机制时结构抗倒塌性能的差异,分析了结构的损伤演化过程。结果表明:长耗能梁-偏心机制改变了结构的失效过程,抑制了薄弱层的产生与发展,对结构抗震性能具有显著影响,算例结构的倒塌富余度提高20%以上; 梁的抗弯刚度对长耗能梁-偏心支撑机制具有一定影响,较大的刚度将不利于该机制的形成,降低了结构的抗倒塌能力; 在人字形中心支撑钢框架结构体系的设计与分析中,宜考虑长耗能梁-偏心支撑机制,否则将低估结构的抗倒塌性能。     

偏心支撑钢框架耗能分析的非线性有限元模型

偏心支撑是高层钢结构中一种有效的抗震耗能形式,针对这种结构形式提出了对于变形大、进入塑性的耗能梁段采用退化曲壳单元,其余部分采用梁单元的非线性有限元分析模型。在有限元分析过程中,梁单元考虑了几何非线性,曲壳单元考虑了几何和材料的双重非线性,材料的强化采用了混合强化法则,并编制了相应的计算程序。算例分析表明,用此模型分析偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的耗能性能是完全可行的。     

带屈曲约束支撑的V型偏心支撑钢框架抗震性能分析

偏心支撑钢框架主要通过耗能梁段发生剪切屈服变形来耗散地震能量,其支撑斜杆必须不发生屈曲才能保证耗能梁段能够耗能。对于跨度较大的结构,支撑斜杆为了满足稳定性与轴压比限值的要求,截面需要很大,结构经济性不好,同时也导致地震作用下内力增大。将偏心支撑钢框架的支撑斜杆换成屈曲约束支撑,进行有限元分析,结果表明:罕遇地震作用下,带屈曲约束支撑的V型偏心支撑钢框架侧向位移比普通支撑钢框架最大减小22.15%,有效地控制了结构的侧移;能量时程图表明:屈曲约束支撑消耗了大部分地震能量,屈曲约束支撑和耗能梁段能够同时参与耗能,建立起结构抗震的多重防线。     

K形和Y形偏心支撑钢框架滞回性能试验研究

进行了1/3缩尺的K形和Y形偏心支撑钢框架的低周反复荷载试验,分析了K形和Y形偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力。试验结果表明,K形和Y形偏心支撑钢框架均具有较好的延性及耗能能力;K形偏心支撑钢框架横梁的竖向变形较大,Y形偏心支撑钢框架横梁的竖向变形较小;虽然Y形偏心支撑钢框架侧向刚度低于K形偏心支撑钢框架,但也能提供较大的初始抗侧刚度,可满足小震或中震作用下的结构变形要求,同时在大震作用下可以提供良好的变形能力和耗散地震能量的双重功能。     

带可替换耗能连接偏心支撑钢框架循环加载的受力性能分析

传统的偏心支撑钢框架将耗能梁段设计成框架梁的一部分,使得耗能梁段截面尺寸、钢材强度等方面与非耗能部分相同,而带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架将耗能连接与框架梁分离设置、修复替换方便且经济。运用ABAQUS软件对10榀带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架进行数值模拟,分析了不同参数下的可替换耗能连接及整个框架的刚度和强度等力学性能。通过对该偏心支撑钢框架施加循环荷载得到:带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架能很好地将结构的塑性变形和地震中的能量集中在可替换耗能连接上,可替换耗能连接的滞回曲线稳定、形状呈梭形、骨架曲线发展平稳,呈现出较高的延性和较好的塑性变形能力。     

D型偏心支撑钢框架耗能梁段性能分析

D型偏心支撑是广泛应用于钢框架偏心支撑结构中的耗能形式之一。它是在中心支撑结构基础上改良的一种钢框架支撑形式,它不但继承了中心支撑钢框架抗侧移刚度和强度大的优点,还结合了抗弯钢框架结构中梁柱节点的良好的的抗弯性能;同时又解决了中心支撑框架中支撑斜杆重复压屈后抗压承载力降低从而导致延性差等问题,即通过支撑斜杆至少有一端与梁相连从而在梁端形成的耗能梁段来耗散地震能量,从而保证支撑不先发生受压屈曲。本文采用理论分析与有限元分析相结合的方法,先用虚功原理对耗能梁段与钢框架的承载力关系做出了推导,然后用ABAQUS有限元软件对8种具有不同耗能梁段长度的D型偏心支撑钢框架建立有限元模型,进行非线性有限元分析。通过偏心支撑极限承载力和滞回性能的对比分析,表明了耗能梁段的长度的最佳长度范围。耗能梁段过长或者过短都会导致整体结构的抗震性能越差。最后根据有限元分析结果提出了对耗能梁段长度的建议。     

3种偏心支撑钢框架的塑性设计方法

偏心支撑钢框架是在中心支撑钢框架的基础上发展起来的一种新型结构体系,它能够有效改善钢框架在大震作用下的抗震性能。本文基于已有耗能梁段的塑性设计模型,考虑钢材的应变硬化效应影响,提出了一种改进的偏心支撑耗能梁段塑性模型,并基于此模型对不同形式的偏心支撑钢框架在弯矩、剪力共同作用下的屈服模型进行了研究,推导出其塑性设计公式。     

V型偏心支撑钢框架结构抗震性能分析

采用pushover方法对V型偏心支撑钢框架在三种罕遇地震烈度下的抗震性能进行分析,得出该结构在不同罕遇地震作用下的抗震模式及结构性能点,并对其抗震性能进行评定;该结构在地震作用下塑性铰依次出现于耗能梁段和框架梁上,耗散大量的地震能量,同时避免框架柱遭受破坏,满足强柱弱梁和规范要求.     

基于性能设计的高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能研究

Y形偏心支撑钢框架结构中耗能梁段置于框架梁之外,耗能梁段变形不会对主体结构和楼板造成损害,震后易于修复更换。为了保证耗能梁段充分发挥塑性变形进行耗能,非耗能构件(框架梁、框架柱)截面设计往往过大,浪费钢材且限制了偏心支撑钢框架的应用。高强钢组合偏心支撑框架结构是指耗能梁段采用普通钢材(Q345钢),而框架梁、柱等非耗能构件采用高强度钢材(如Q460),不仅有效减小构件截面,而且可以推动高强钢在抗震设防区的应用,经济效益显著。采用基于性能的抗震设计方法设计了5层、10层、15层和20层的Y形偏心支撑钢框架结构,算例模型包括高强钢组合Y形偏心支撑钢框架和传统普通钢Y形偏心支撑钢框架,通过Pushover分析和时程分析研究该结构形式的承载力、抗侧刚度、层间侧移分布及破坏模式。研究表明:相同设计条件下,高强钢组合Y形偏心支撑钢框架结构与普通钢Y形偏心支撑钢框架结构的承载能力相近,但抗侧刚度略低,罕遇地震作用下二者具有相似的层间侧移分布和破坏模式。     

弯曲屈服型耗能梁K形偏心支撑结构抗震性能研究

基于削弱耗能梁翼缘截面尺寸的原理,提出了一种弯曲屈服型耗能梁偏心支撑钢框架构造(简写为M2).为验证其抗震性能并与传统的弯曲屈服型耗能梁K形偏心支撑钢框架(框架梁与耗能梁等截面,简写为Ml)对比,完成了 2个1:2.6缩尺的单层、单榀、单跨模型的拟静力试验及数值模拟.结果表明,两个模型的塑性变形基本集中于耗能梁段上,试...     

震后可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究

近年来,抗震设防目标逐渐从保护生命安全转向震后快速修复,可替换耗能梁段半刚性连接偏心支撑钢框架体系在震后通过替换新耗能梁,能够快速恢复其使用功能,因而得到了广泛关注。为了研究震后修复的偏心支撑钢框架的抗震性能及论证震后替换耗能梁段方法的可行性,首先对1个1∶2缩尺偏心支撑钢框架进行低周往复加载试验,然后更换新的耗能梁,再次对其进行低周往复加载试验。试验结果表明：修复替换后的试件与原试件相比,其滞回性能、承载力、延性系数、抗侧刚度和耗能性能虽不及原试件,但仍保留一定的承载力和良好的耗能性能;通过对层间位移角和耗能梁转角的分析,表明修复后的模型的整体变形能力以及其耗能梁转动能力依旧很好;对框架的失效模式和关键部位应变的分析,验证了更换耗能梁修复方法的可行性。     

偏心支撑钢框架有限元分析

偏心支撑钢框架是近二十多年来发展起来的一种支撑结构形式，具有很好的抗震性能。为了更好地了解偏心支撑框架抗侧力性能和耗能梁段的受力特性，本文对偏心支撑钢框架进行非线性有限元分析。分析结果表明，偏心支撑中的耗能梁段在加载后期发生剪切屈服型破坏，保证了框架其他杆件不屈服，提高了结构的耗能能力和变形能力，显著地改善了钢框架的抗震性能。     

单斜杆型偏心支撑钢框架的地震反应分析

偏心支撑结构弹性阶段刚度大,塑性阶段耗能能力强,是适用于高烈度地震区的一种有效的抗侧力结构体系。采用梁单元与壳单元相结合的非线性有限元模型,对单斜杆型偏心支撑钢框架进行弹塑性时程分析,研究耗能梁段的长度、腹板高厚比和加劲肋间距的变化对单斜杆型偏心支撑钢框架结构抗震性能的影响,提出了相应的抗震设计建议。     

耗能梁段腹板厚度对高强钢组合Y型偏心支撑框架受力性能的影响研究

为了研究耗能梁段腹板厚度对高强钢组合单层单跨Y型偏心支撑框架的受力性能,采用有限元软件ABAQUS分别对5个不同耗能梁段腹板厚度的高强钢组合单层单跨Y型偏心支撑框架模型进行了分析。结果表明:这种结构形式具有良好的耗能性能,耗能梁段能够充分发挥耗能的作用;耗能梁段腹板厚度对其强度、刚度和耗能性能均有较大影响,耗能梁段腹板厚度设计合理时,可满足结构在小震或中震作用下的承载力和变形要求,在大震下有良好的变形能力和耗散地震能量的能力。     

Y形偏心支撑竖向布置方式对结构抗震性能的影响

为了研究支撑竖向布置不同的Y形偏心支撑钢框架的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对3个支撑竖向布置和构造不同的试件进行模拟循环加载,分析试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性及耗能能力。研究结果表明:Y形偏心支撑钢框架是一种典型的双重抗震结构体系,具有良好的滞回性能;竖向正反交替布置的Y形偏心支撑中,与耗能梁段直接相连的框架梁跨中节点受力较大,可采用加厚腹板等方式加强,本文给出了设计方法;局部加强后,竖向正反交替布置的Y形偏心支撑钢框架具有与传统Y形偏心支撑钢框架同样良好的抗震性能,可应用于实际工程。     

支撑类型对自复位K型偏心支撑钢框架滞回性能的影响

为优化基于形状记忆金属(Shape memory alloy,简称SMA)耗能梁的自复位K型偏心支撑钢框架结构的复位效果。采用ANSYS软件建立了梁、实体混合单元模型,在验证有限元模型合理的基础上,进行偏心支撑结构滞回性能分析。通过改变支撑与梁(上端)、支撑与基础(下端)的连接类型,设计了4个自复位K型偏心支撑钢框架结构,考察支撑类型对自复位K型偏心支撑钢框架结构滞回性能、塑性机制、骨架曲线、滞回耗能及复位效果的影响。研究表明:支撑上端刚接、下端铰接易形成理想塑性复位机制,该机制下结构复位效果最佳,但结构初始刚度、水平承载力、耗能能力会有所下降。