水平双向地震作用下薄壁方形截面钢桥墩#br# 抗震性能试验及实用算法研究

钢板局部失稳破坏是钢桥墩结构典型的地震失效模式之一,但目前仍缺乏既能考虑局部失稳影响,又可方便用于工程设计的结构地震反应计算方法。通过对2个薄壁方形截面钢桥墩试件施加沿斜向的水平反复荷载,研究结构的地震破坏形式和抗震性能;在钢材修正双曲面滞回模型的基础上,通过对结构参数分析结果的数据拟合,建立考虑钢板局部失稳影响的方形截面钢桥墩纤维模型算法。结果表明：薄壁方形截面钢桥墩结构在水平双向地震作用下,首先会发生墩底钢板局部失稳,在荷载达到最高点后墩底焊缝处出现超低周疲劳破坏,在两种地震破坏的共同作用下结构承载力迅速下降;通过与试验结果的对比,验证结构地震有效损伤域Ld内的纤维单元采用等效滞回模型能准确反映钢板的局部失稳效应,为工程设计提供一种高精度的实用计算方法。     

基于抗震韧性的高强钢组合偏心支撑钢框架研究

将基于抗震韧性的设计理念引入高强钢组合偏心支撑钢框架结构.通过韧性设计,使得高强钢组合偏心支撑钢框架结构,在满足结构抗震目的的同时,结构构件参与结构抗震方式明确,主体构件不发生塑性破坏,耗能支撑或耗能梁段通过塑性变形吸收地震能量,同时,通过装配式建造,耗能构件易于更换,达到结构韧性抗震的目标.提出评价高强钢组合偏心支撑钢框架的评价指标.     

弯扭箱形钢构件受拉性能与破坏机理

弯扭箱形钢构件是指在箱形钢构件的基础上,2个端部绕构件轴线发生扭转、沿构件纵向发生弯曲的复杂构件。因优美的建筑造型,弯扭箱形钢构件近年来在国内外的大跨度空间结构中逐步得到应用,然而目前对于弯扭箱形钢构件的受拉性能和破坏机理尚缺乏系统性的研究。利用ABAQUS有限元程序建立了受拉作用下弯扭箱形钢构件的数值分析模型,通过试验验证了计算模型的准确性。研究了钢材强度、弯曲曲率、截面相对扭转角和钢板厚度等参数对弯扭箱形钢构件受拉承载力的影响规律。分析结果表明:随着钢材强度和钢板厚度的增加,弯扭箱形钢构件的屈服受拉承载力明显提高;构件弯曲程度和截面相对扭转角的增大会明显降低其屈服受拉承载力。另外,还分析了弯扭箱形受拉钢构件的破坏模式和受力机理,研究结果可为实际工程中弯扭箱形钢构件的设计和应用提供参考依据。     

可恢复功能的箱形钢墩柱受力性能研究

为了研究可恢复功能的箱形钢墩柱受力机理,采用ANSYS软件对新型箱形钢墩柱进行反复轴向拉压作用下的数值分析。通过有限元模拟结果与新型箱形钢墩柱的轴压试验结果的对比,验证了有限元模拟方法的可靠性。在此基础上,探讨低屈服点耗能钢板的高度、宽度及厚度等因素对新型箱形钢墩柱骨架曲线、延性系数及耗能能力的影响规律。研究结果表明:低屈服点钢板的宽度和厚度对箱形钢墩柱的承载能力影响较大,试件承载能力随低屈服点钢板宽度的增大而减小,随其厚度的增大而增大,低屈服点钢板的高度对新型箱形钢墩柱的承载能力影响较小;在试件1/3～5/7高度范围内,增大低屈服点钢板高度,箱形钢墩柱耗能能力提高;在1～1. 5倍壁板厚度范围内,增大低屈服点钢板厚度,箱形钢墩柱耗能能力提高,增大低屈服点钢板宽度,箱形钢墩柱耗能能力下降。     

三种不同设计理念的钢板剪力墙抗震性能分析

为充分了解在相同的水平地震设计荷载作用下,按三种不同抗震设计理念设计的钢板剪力墙的抗震特点,模拟了6层低屈服点钢板剪力墙、普通钢板剪力墙以及薄钢板剪力墙在顶点加载和倒三角加载两种循环加载方式作用下的抗震性能,并对结构的滞回性能、耗散系数、承载力、抗侧刚度、应力云图等进行了对比分析。结果表明:在相同加载方式下,低屈服点钢板剪力墙滞回环比较饱满,能量耗散系数更大,且增加的速率比其他两种结构大,说明低屈服点钢板剪力墙的抗震耗能更好。     

不同屈服点钢筋混凝土柱耗能性能的试验研究

提出一种不同屈服点钢筋混凝土柱,共设计了4根柱：普通钢筋混凝土柱,配置低屈服点钢和高韧性混凝土柱,配置低屈服点钢、普通钢筋弯起和高韧性混凝土柱,低屈服点钢和普通钢筋并排的高韧性混凝土柱,通过对4根柱进行低周反复加载试验,研究了不同屈服点钢筋混凝土柱的破坏形态、滞回特性、耗能能力和刚度退化。研究表明：不同屈服点钢筋混凝土柱在弹性阶段时,由于低屈服点钢筋发生塑性变形可以有效吸收地震能量,阻尼系数较普通钢筋混凝土柱有较大提高,而高屈服点钢筋仍处于弹性阶段,刚度没有明显退化,可以保证结构的强度。     

轴压下460 MPa级高强度钢材焊接截面短柱的局部屈曲

由于钢屈服强度的提高,与普通强度钢(NSS)制成的型钢相比,高强度钢焊接而成的型钢更薄、更轻。这导致了钢板构件的宽厚比更大,且局部屈曲对受压构件的影响也更大。对由4个箱形截面构件和9个工型截面构件组成的钢短柱(钢材为Q460)进行轴压试验,建立对初始缺陷进行精确模拟的有限元模型。建模结果通过了试验和理论分析的验证。将试验和数值结果与通过不同规范中的设计方法得出的极限应力相比较,结果显示,对于箱形截面钢板构件,这些设计方法高估了其局部屈曲的极限应力,导致结果不够安全。而设计方法又低估了工字型截面部件翼缘的极限应力,特别是那些宽厚比相对大的工字型截面部件。     

不同低屈服点耗能段的Y型支撑钢框架抗震性能研究

传统Y型支撑钢框架为充分发挥耗能段的消能效果,同时使耗能段在结构中最早破坏,往往需要将主体框架结构的构造尺寸设计很大,对这一问题本文将采用低屈服点钢进行研究。低屈服点钢拥有变形能力强、抗疲劳性能高的优势,其次还有助于熔接和特殊处理,因此本文设计了LY100、LY160、LY225低屈服点耗能段下的剪切型偏心支撑钢框架,并基于Abaqus有限元分析软件建立单榀单跨仿真模型,分析其在往复循环荷载作用下的抗震性能指标,并通过引入等效粘滞系数、结构延性系数和骨架曲线等参数来进行对比分析,结果发现,Y型支撑在低屈服点耗能段构件中随着屈服点的升高,滞回曲线逐渐变得充实,抗震性能也偏向增强。     

钢框架-组合钢板墙核心筒结构的抗震性能分析

组合钢板墙是一种适用于高层建筑的新型抗侧力构件。对钢框架-组合钢板墙核心筒结构在多遇地震和罕遇地震下的抗震性能进行分析,研究结构在罕遇地震作用下的破坏顺序和破坏模式,并与基本自振周期相近的钢框架-混凝土核心筒结构的抗震性能进行对比,以考查组合钢板墙对钢框架-核心筒结构抗震性能的影响。分析结果表明,在多遇地震作用下,钢框架-组合钢板墙筒体结构和钢框架-钢筋混凝土筒体结构的抗震性能相差不大;在罕遇地震作用下,钢筋混凝土核心筒很快发生塑性损伤,随即刚度严重退化,而组合钢板剪力墙中的钢板先屈服,可以减缓核心筒的刚度退化,提高核心筒的延性,从而改善钢框架-核心筒结构的抗震性能。     

双层高架桥框架式桥墩地震损伤试验

为了研究双层高架桥框架式桥墩的地震损伤演化过程,按1/5.5缩尺比例设计并制作了桥墩模型,对其进行拟静力试验,深入分析桥墩的抗震性能。选取基于滞回特性和能量耗散的累积损伤模型,定量描述在低周往复荷载作用下双层高架桥框架式桥墩结构的损伤演化过程。试验结果表明:桥墩的损伤经历了无损伤阶段、损伤初始阶段、损伤稳定发展阶段和损伤急剧发展阶段。破坏主要集中在立柱,盖梁和节点破坏较轻,满足桥梁抗震规范中立柱作为延性构件,盖梁和节点作为能力保护构件的设计要求;桥墩的屈服位移为20.7 mm,延性系数为4.35,极限荷载损伤指数为0.82,说明桥墩具有较好的抗震性能和抵御累积损伤的能力。研究成果为双层高架桥框架式桥墩结构的震后评估和修复加固提供理论依据。     

梁端填充低屈服点钢材的梁柱连接减震性能试验与损伤分析

传统钢结构节点通常按刚性节点理念进行设计,其实际抗震性能可能达不到设计预期。梁端削弱型梁柱节点虽然能够初步实现“强柱弱梁”,但在削弱区会产生局部屈曲,在强震作用下安全储备不足。基于可恢复功能结构理念,提出采用低屈服点钢材对梁翼缘和腹板的削弱处进行填补,使低屈服点钢材在地震中率先屈服并充分耗能,以降低节点主体的损伤,并可在震后对低屈服点钢材进行更换。针对现有地震损伤模型的不足,提出基于弹塑性耗能差率的能量损伤模型,从而更准确细致地评价钢梁端连接的损伤性能。试验加工制作了相应的传统钢节点、削弱钢节点和填充式耗能钢节点,并进行低周往复加载试验研究。通过多种性能评价参数,对梁端连接的减震性能进行综合评估。结果表明,填充式耗能钢节点具有更加优良的承载能力、延性和耗能能力。此外,所提出的能量损伤指标可以更好地反映梁端连接损伤演变过程及其损伤规律。     

低屈服点钢扣板连接的试验研究

同心支撑框架被广泛用于钢结构房屋的抗震设计中。在地震激励下,同心支撑框架的支撑会承受循环拉压荷载。由于支撑的屈曲,其抗压强度通常低于抗拉强度,这可能会降低支撑框架的抗震性能。该文对采用弱扣板强支撑的设计理念进行了验证。扣板选用低屈服点钢(LYP),从而使设计的扣板在支撑屈曲前发生屈服。低屈服点钢的屈服强度很低,但其延性很好。通过一系列试验验证循环荷载作用下低屈服点钢扣板的性能。研究发现,在低屈服点钢扣板上增加槽型约束(STR)可以大大提高其抗震性能。在拉压荷载作用下,有槽型约束的低屈服点钢扣板可以提供类似大小的强度。扣板的耗能能力同样得到提高。基于此研究成果,给出低屈服点钢扣板的一些设计建议。     

Seismic performance of Y‐type eccentrically braced frames combined with high‐strength steel based on performance‐based seismic design

In the Y‐type eccentrically braced frame structures, the links as fuses are generally located outside the beams; the links can be easily repairable or replaceable after earthquake without obvious damage in the slab and beam. The non‐dissipative member (beams, braces, and columns) in the Y‐type eccentrically braced frames are overestimated designed to ensure adequate plastic deformation of links with dissipating sufficient energy. However, the traditionally code design not only wastes steel but also limits the application of eccentrically braced frames. In this paper, Y‐type eccentrically braced steel frames with high‐strength steel is proposed; links and braces are fabricated with Q345 steel (the nominal yield stress is 345 MPa); the beams and columns are fabricated with high‐strength steel. The usage of high‐strength steel effectively decreases the cross sections of structural members as well as reduces the construction cost. The performance‐based seismic design of eccentrically braced frames was proposed to achieve the ideal failure mode and the same objective. Based on this method, four groups Y‐type eccentrically braced frames of 5‐story, 10‐story, 15‐story, and 20‐story models with ideal failure modes were designed, and each group includes Y‐type eccentrically braced frames with ordinary steel and Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel. Nonlinear pushover and nonlinear dynamic analyses were performed on all prototypes, and the near‐fault and far‐fault ground motions are considered. The bearing capacity, lateral stiffness, story drift, link rotations, and failure modes were compared. The results indicated that Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel have a similar bearing capacity to ordinary steel; however, the lateral stiffness of Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel is smaller. Similar failure modes and story drift distribution of the prototype structures designed using the performance‐based seismic design method are performed under rare earthquake conditions.     

Design of reinforced concrete frames with damage control

A reinforced concrete frame design methodology to control damage indices in structural elements and keep them within tolerable limits is presented. The structural element strengths are determined to satisfy the basic design goal, which requires elastic behavior during moderate earthquakes and inelastic behavior with tolerable damage during strong earthquakes. Maximum lateral displacement and plastic dissipated energy are used as design parameters. The method uses several inelastic static analyses to optimize the strength of the structural elements in order to satisfy the adopted damage indices. The proposed method was applied to a six-floor framed structure, representative of an actual building, and the expected solution was achieved after two optimization cycles. The structure designed with the proposed method was subjected to eight earthquake acceleration records. Its response was determined from inelastic dynamic analysis. The resulting damage indices were similar to those assumed in the design, which confirm the accuracy of the proposed method.     

斜隅支撑框架体系的弹塑性受力分析

斜隅支撑框架体系(KBF)是一种新型耗能支撑框架钢结构体系,它具有延性好、抗侧移刚度大、震后容易修复的特点。结构主要构件在隅撑的保护下即使受到罕遇地震荷载作用也不易受到损伤。为此采用有限元方法(FEM)对此类结构进行了系统的弹塑性受力分析,全面总结了其抗侧移受力性能与各结构参数间的关系,并总结得出适合设计实用的一般规律。     

Experimental study of low yield point steel gusset plate connections

Concentrically braced frames have been used widely in the seismic-resistant design of steel building structures. During earthquake excitation, the braces of the concentrically braced frame are subjected to recursive tensile and compressive forces. The compressive strength of the brace is usually less than its tensile strength because of the buckling of the brace, and this may degenerate the seismic resistance capacity of the braced frame. In this reported research, an alternative design concept that adopts the weak gusset plate-strong brace is examined. The gusset plate is designed to yield prior to the buckling of the brace. Low yield point (LYP) steel is selected for the gusset plate. The LYP steel possesses low yield strength and high elongation capacity. A series of experimental studies was carried out to examine the LYP steel gusset plates under cyclic loads. It is found that adding slot-type restrainers (STR) to the LYP steel gusset plate greatly enhances the seismic resistance of the gusset plate. The proposed LYP steel gusset plate with an STR is able to provide similar strengths under tensile and compressive loads. The energy dissipation capacity of the gusset plate is also increased substantially. Based on this study, suggestions are made for the design of LYP gusset plates.     

自复位钢框架钢板剪力墙性能化设计方法

基于“自复位”理念,提出了一种采用钢板剪力墙耗能的自复位钢框架钢板剪力墙结构,对其进行了受力机理分析,并给出了自复位钢框架钢板剪力墙的复位条件。依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》设定了自复位钢框架钢板剪力墙基于性能的设计目标,基于性能目标提出了自复位钢框架钢板剪力墙的设计流程,从构件的实际受力状态出发对该设计方法进行了研究,并推导出构件的设计公式。以某传统钢框架为例,对其进行了由钢板剪力墙耗能的自复位结构边缘构件设计,并采用有限元软件ABAQUS对其中单榀单跨进行了Pushover分析。结果表明：当层间位移角达到2%时,结构的残余变形量控制在0.2%以内,主体结构边缘构件仍处于弹性工作状态,推覆过程中钢板墙耗散了大量能量;推覆结束后,结构余留少量残余变形,这主要是由于梁柱节点绕梁上下翼缘转动时梁上下翼缘角部受到挤压引起,可通过适当设置翼缘加强板减少甚至消除残余变形。     

Study on seismic design method of high-rise structures resistant to rare earthquakes on basis of progressive seismic failure mode

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题，及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质，确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径，提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时，考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点，建立基于多阶段振型组合的标准地震作用，给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求，建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计，解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性，对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计，通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标，并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能，得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%，在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。     

消能摇摆钢框架结构抗震性能的影响因素与设计方法

消能摇摆钢框架结构包含主体钢框架结构、摇摆结构和耗能阻尼器三部分。刚度较大的摇摆结构可以使主体钢框架在地震作用下发生均匀的层间变形,抑制薄弱层产生。布设于摇摆结构底部的阻尼器,能够耗散地震动能量,减小整体结构的地震反应,提高结构的抗震性能。文中对消能摇摆钢框架结构抗震性能的影响因素进行参数分析,并基于我国建筑抗震设计规范的原则提出了抗震设计方法。根据消能摇摆钢框架结构的受力机理,提出简化分析模型,通过弹塑性地震反应分析,验证简化模型的有效性。基于简化分析模型对无量纲参数进行参数分析,根据各参数的影响规律得到无量纲参数的建议范围。结合我国“三阶段”抗震设防要求,提出消能摇摆钢框架结构的设计方法,并结合算例进行验证。研究表明,消能摇摆钢框架结构抗震性能良好,设计合理的摇摆结构与阻尼器能够抑制钢框架的薄弱层、减小结构的地震反应。     

基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法研究

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题,及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质,确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径,提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时,考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点,建立基于多阶段振型组合的标准地震作用,给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求,建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计,解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性,对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计,通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标,并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能,得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%,在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。