防屈曲支撑框架体系按延性方法设计探讨

简要介绍了防屈曲支撑框架结构的概念、受力原理、特点、形式,收集和整理了结构延性设计的具体方法,介绍了结构体系延性调整系数YRS,以及延性设计方法对梁柱节点、构件截面宽厚比、长细比以及层问位移的要求.     

装配式防屈曲支撑构件及框架设计理论

防屈曲构件作为一种性能优越的消能减震构件,在很多国家得到广泛应用。一种新型的装配式防屈曲支撑构件,解决了传统防屈曲支撑由混凝土外围约束构件所导致的加工精度控制困难及湿作业等诸多问题,而且现场组装更加快捷。提出了多种创新型的装配式防屈曲支撑构件形式,其外围约束构件多采用常用型钢或钢板组合而成,外围多个约束构件之间通过螺栓连接并形成捆绑作用。这种装配式防屈曲支撑的设计除了满足一般防屈曲支撑构件的约束比限值要求外,还要对外围约束构件间的"捆绑作用"进行计算以设计螺栓连接,保证多个外围约束构件满足变形协调而作为一个整体构件参与工作。还对一种由防屈曲支撑衍生出的屈曲延迟性构件的计算方法进行了介绍,其在加固改造工程中有很大应用空间。最后对防屈曲支撑框架的抗震性能与设计理论进行了探讨,并对未来研究工作进行了展望。     

考虑防屈曲支撑影响的钢筋混凝土框架柱设计方法

针对防屈曲支撑-混凝土框架(RC-BRBF)体系中防屈曲支撑(BRB)对相连柱产生附加变轴力影响,提出了RC框架柱设计方法。该方法首先通过等价轴压比指标获得RC柱设计轴压比限值,保证了一级、二级以及三、四级框架柱极限侧移水平分别达到2. 7%、2. 4%以及2. 1%;然后通过体系延性水平获得柱位移延性指标,保证其延性性能。研究表明,RC柱设计轴压比限值与等价设计轴压比水平、构件受等效重力与地震作用的轴力标准值之比有关;改进后的设计方法能够有效考虑BRB对相连柱附加变轴力影响,并保证了变轴压比下柱的极限侧移水平。算例分析结果表明,该方法通过优化柱截面提高了体系经济性,同时保证体系满足"三水准"设防目标,RC柱设计轴压比限值的设定是合理的。     

防屈曲支撑框架体系按延性方法设计与按现行规范设计对比

简要介绍了我国抗震设计方法的历史沿革、结构延性设计的基本理念以及必要性,介绍了防屈曲支撑框架结构的概念、受力原理。引入了结构体系延性调整系数γRS,介绍了延性设计方法对梁柱节点、构件截面宽厚比、长细比以及层间位移的要求。本文主要是为了得到在抗震设计中采用本文方法设计工程项目时的经济指标,因此工作重点放在按照延性设计方法设计实际工程以及与按现行规范设计的比较中。论文给出了13层试设计算例设计对比。利用MTS软件分别按延性设计方法以及按现行规范对一个13层防屈曲支撑框架结构算例进行试设计,对按两种方法进行设计得出的各个结果进行对比,讨论按延性设计方法设计结构的优越性。     

基于抗侧刚度比的防屈曲支撑钢框架住宅设计及分析

为探讨支撑钢框架结构中支撑的合理设计方法,以抗侧刚度比为控制指标,对一栋20层的钢结构住宅进行防屈曲支撑的优化设计。基于弹塑性时程分析,对比防屈曲支撑框架结构在固定抗侧刚度比与变化抗侧刚度比对结构性能的影响。研究结果表明:在防屈曲支撑总截面面积不变化的情况下,相对于固定抗侧刚度比的结构,采用变化抗侧刚度比结构的最大层间位移角均有所降低,在保证支撑用量不变的前提下,提高了结构整体抗震性能。     

防屈曲支撑加固混凝土框架抗震性能分析

结合BRB的工作原理,推导了BRB的等效刚度,并采用Perform-3D软件对一幢14层普通钢筋混凝土框架结构及其用BRB加固后的抗震性能进行了非线性对比分析。分析选取了7条涉及50年设计基准期超越概率10%和50年设计基准期超越概率2%的地震波,加速度调整系数根据FEMA356规范选取。通过分析研究了BRB的耗能能力及不同楼层中BRB的轴向变形能力,并比较了两种结构的层间位移角值、楼层剪力、构件屈服情况等。分析结果表明,防屈曲支撑(BucklingRestrained Brace,简称BRB)能提高结构的刚度,具有良好的滞回性能,可以有效地耗散地震能量,能够很好地改善结构的抗震性能及工作性能。     

防屈曲支撑加固混凝土框架设计研究

防屈曲支撑具有普通支撑和耗能元件的双重特点,分析了采用防屈曲支撑加固混凝土框架的特点。同时结合实际工程,从需求分析、支撑的布置和选择、试验构件的性能鉴定、抗震加固前后结果对比这4个方面阐述这种抗震加固方法在工程中的应用。结果表明,通过合理选择防屈曲支撑的布置方案和性能参数,能够实现防屈曲支撑不同阶段的工作状态,确保了防屈曲支撑耗能,从而达到保护主体构件的加固目标。     

防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性有限元分析

基于非线性有限元软件ABAQUS,对设置防屈曲支撑的混凝土框架在单向水平荷载作用下的骨架曲线进行了非线性有限元模拟分析,并与试验结果进行了对比。分析过程中混凝土采用损伤塑性模型,钢材采用硬化弹塑性模型,采用位移增量法进行控制加载。在试验基础上进行的非线性有限元分析,分析了结构内部受力过程、内力分配及重分配规律、改进内部配置、优化结构设计,可为进一步研发、改进内部构造提供模型基础等,弥补了试验试件不能过多,应变片被损坏等不理想情况。     

基于能量平衡的梁柱刚接防屈曲支撑钢框架设计方法

针对梁柱刚接的防屈曲支撑钢框架,根据能量平衡的概念提出基于能量的抗震设计方法,使结构在罕遇地震作用下满足给定的目标位移。设计方法以钢框架与防屈曲支撑在目标位移下耗散的能量之和等于地震输入能量为准则进行能量分配。地震输入能量以原钢框架的地震输入能量为基准,计入结构周期和延性变化的影响进行调整后得到,并以结构在位移幅值下循环1周耗能作为总耗能。建立防屈曲支撑的耗能需求曲线和目标位移下的耗能能力曲线,求得防屈曲支撑的截面面积。应用此方法设计3跨5层的防屈曲支撑钢框架结构,采用ANSYS软件建立有限元模型,对所设计的钢框架结构进行罕遇地震作用下的时程分析,结果表明：应用此方法设计的梁柱刚接防屈曲支撑框架在地震作用下最大层间位移角与给定的设计目标较为一致,所设计的结构安全可靠。     

Stochastic optimisation of buckling restrained braced frames under seismic loading

A stochastic optimisation procedure is proposed for the design of low- and mid-rise buckling restrained braced frames subject to seismic loading. The seismic excitation is represented as a zero-mean nonstationary filtered white noise. The Bouc–Wen model is chosen to represent the hysteretic behaviour of the buckling restrained braces. The equivalent linearisation method is employed to determine the second-order statistics of structural responses from the non-linear system. Three seismic intensity levels are considered in this study, which are associated to earthquakes with different probability of occurrence during the building’s lifecycle. It was observed that the optimal design that minimises the maximum ductility demand produces a more uniform distribution of energy dissipation and avoids soft-storey mechanisms; therefore, this design objective is considered to be a more reasonable optimisation objective for the design of buckling restrained braced frames. For higher rise structures, buckling restrained braces may experience over-dimensioning in the top stories, which means that dissipation will not occur. Thus, an upper bound constraint for the stiffness design of the buckling restrained braces is taken into account.     

某大型会议中心防屈曲耗能支撑结构设计

某大型会议中心为2010年上海世博会较大的一个场馆,主体结构为框架-支撑结构,针对结构平面布置复杂、结构抗震要求高等特点,结构采用防屈曲耗能支撑钢框架结构体系。提出防屈曲耗能支撑的布置原则和分析方法,采用Pushover分析法追踪不同地震水平下本工程结构的抗震性能,包括水平力与变形的关系、结构塑性变形发展过程、结构的延性评价。分析结果表明:采用防屈曲耗能支撑能有效减小作用在结构上的地震力,耗散地震能量,结构整体具有较好的延性,地震作用下的破坏部位可以预见;对防屈曲耗能支撑安装前的施工阶段进行验算以说明施工阶段主体结构的安全性;通过与普通支撑结构的技术经济性比较,评价防屈曲耗能支撑结构的合理性和可行性。采用防屈曲耗能支撑既能提高结构的安全性和可修复性,又可以有效降低主体钢结构用量。     

多层屈曲约束斜撑钢框架弹塑性分析研究

以多层屈曲约束斜撑钢框架为主要研究对象,斜撑框架强度CB以及屈曲约束斜撑的水平力分担率β为主要研究参数,拟设计6个建筑模型,对各模型进行了基于塑性铰理论的二阶非线性时程分析,考察了强震作用下各模型各层的层间位移、层剪力、屈曲约束斜撑的塑性能量分布等。结果表明,各模型的强度CB值从0.3增大到0.5或屈曲约束斜撑的水平力分担率β值从30%增大到90%时,各模型的各层最大层间位移反应值中的弯曲变形反应值越大,这种情况上层部位更明显。随着斜撑框架强度CB值或屈曲约束斜撑的水平力分担率β值的增加,各模型的各层屈曲约束斜撑分担的剪力和各层最大层剪力比值也变大。     

Performance-based plastic design method for buckling-restrained braced frames

This paper presents a performance-based plastic design (PBPD) methodology for the design of buckling-restrained braced frames (BRBFs). The design base shear is obtained based on energy–work balance using pre-selected target drift and yield mechanism. Three low-to-medium rise BRBFs (3-story, 6-story and 9-story) were designed by the proposed methodology and their seismic performance was evaluated through extensive nonlinear time-history analyses using forty ground motions representing the DBE and the MCE hazard levels. Both isotropic and kinematic hardening characteristics of buckling-restrained braces were considered in the modeling of their force–deformation behaviors. All BRBFs considered in this study reached the intended performance objectives in terms of yield mechanisms and target drift levels. Since PBPD is a direct design method, no iterations were carried out to achieve the performance objectives of BRBFs.     

A comparison of dynamic nonlinear behavior of ordinary and buckling restrained braced frames subjected to strong ground motion

In this paper nonlinear dynamic analyses of 4‐ to 12‐story frames with two types of bracing behavior are performed. In the first series of analyses, the bracing post‐buckling behavior is modeled using a Jain‐phenomenological model. In this model bracing buckled against compressive loading and yielded when subjected to tensile loading. In the second series, buckling restrained brace frames subjected to strong ground motion have been analyzed using elements with a bilinear behavior. The results in terms of story drifts, story shears, story shear versus drift hysteresis behavior and plastic hinge locations were compared. By comparing the response of the frame with the buckling restrained brace and the ordinary brace, better performance was observed for the buckling restrained braced frames. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

屈曲约束支撑框架层间位移及其限值的探讨

通过OpenSees对两个屈曲约束支撑框架结构算例进行分析,说明了无害位移在屈曲约束支撑框架结构层间位移中所占的比重较小,上下两层水平位移差代替层间受力位移已具有足够的精度,能够满足工程要求。根据"小震不坏、中震可修、大震不倒"的设防目标,结合屈曲约束支撑的耗能性能、变形能力和保护主体结构的作用,提出了屈曲约束支撑框架的层间位移角限值。     

偏心支撑钢框架的设计

简述了偏心支撑钢框架结构的工作原理及特点,介绍了偏心支撑钢框架的设计计算方法,其中重点介绍了各杆件的内力计算：耗能梁段设计、非耗能梁段设计、支撑设计和框架柱设计,为工程设计人员提供了指导。     

Seismic design of concentric braced frames

In this paper some modifications to the design procedure, currently implemented in the modern European seismic code for ductile cross concentric braced frames (X-CBFs), are proposed. The code procedure is aimed to obtain a ductile and dissipative ultimate behaviour by imposing that the yielding of diagonal members occurs before the damage and premature failure of beams, columns and connections (capacity design); this approach, involving overstrength requirements and diagonal slenderness limitations, strongly affects the design of CBFs and generally leads to oversized structural solutions, thus suggesting a high weight premium related to the capacity design. The approach proposed by the authors in this paper consists of some modifications to the current design provisions of the European seismic codes, with the major aim of controlling the overstrength requirements to the non-dissipative members of braced frames, thus reducing the associated structural weight premium while preserving a satisfactory inelastic behaviour. In order to assess the reliability of the proposed approach, the results of non-linear FE analyses are presented in the paper with reference to three, and six‐ and nine‐storey buildings, for which different structural solutions are designed according to the current and the proposed approaches.     

基于极限承载力平面屈曲约束支撑钢框架整体可靠度设计

以最简形式的功能函数描述平面屈曲约束支撑钢框架在静力荷载作用下的体系极限承载力状态,利用对偶变数抽样法与指数多项式近似概率密度法对结构整体抗力的概率密度函数及其统计特征进行了估计。考虑两种基本荷载组合,在对平面屈曲约束支撑钢框架结构整体可靠度评价的基础上,给出了在一定目标可靠度下的基于结构体系极限承载力可靠度的实用设计公式。通过一个具体算例表明,该设计方法既比传统的基于构件可靠度的设计方法经济,又能保证结构体系的可靠度。     

防屈曲支撑钢框架结构中被撑柱抗震设计探讨

通过3个算例,对采用人字形和V字形的无粘结内藏钢板支撑剪力墙(即人字形和V字形防屈曲支撑)的防屈曲支撑钢框架结构的抗震性能进行分析。重点考察大震下,支撑的轴力分布和对被撑柱所受轴力的影响。分析表明,采用结构在一阶振型下的支撑轴力分布来设计被撑柱的做法,适用于多层的防屈曲支撑钢框架结构;而对于高层的防屈曲支撑钢框架结构,高振型影响较显著,上述设计方法对被撑柱的设计较保守,有必要考虑高振型参与下的支撑轴力分布来设计被撑柱。