自复位支撑-摇摆框架结构体系抗震性能分析

简单介绍了可恢复功能结构,自复位支撑-摇摆框架结构体系作为一种新型的可恢复功能结构,拥有良好的平衡各构件之间变形的能力和自复位能力,具有很好的工程应用前景。在有限元分析软件SAP2000中对普通钢框架结构和自复位支撑-摇摆框架结构建立分析模型,并进行模态分析和非线性时程分析,通过对比2种结构的层间位移和残余变形,得出自复位支撑-摇摆框架结构具有良好的抗震性能、层间变形协调能力和残余变形小等优点。

一种体外预应力钢筋混凝土摇摆框架抗震性能研究

体外预应力摇摆框架(External Prestressing Rocking Frame,EPRF)是一种新型的采用结构控制技术的抗震结构体系。建立了单榀体外预应力摇摆框架的力学模型并推导其理论抗侧刚度公式;其次,建立了无阻尼耗能的体外预应力摇摆混凝土框架、有阻尼耗能的体外预应力摇摆混凝土框架以及常规钢筋混凝土框架的有限元模型;输入El Centro地震波采用ABAQUS有限元程序对三种框架进行了动力时程分析,得到了地震作用下的结构楼层位移响应、加速度响应和层间剪力响应,对比分析了三种框架的地震响应结果。研究结果表明,具有阻尼耗能的体外预应力摇摆框架能大幅度降低结构加速度和层间剪力响应,结构位移响应也能得到有效控制。

自复位耗能摇摆框架的抗震性能参数分析

自复位耗能摇摆框架结构是在原RC框架结构基础上用自复位耗能摇摆柱(SCEDRC)对其中的普通柱进行改造而来。利用OpenSees有限元软件建立各结构的有限元模型,并进行动力弹塑性分析。对比了自复位耗能摇摆框架结构与RC框架结构的抗震性能;考察了自复位耗能支撑(SCEDB)安装角度、设计参数及SCEDRC位置等变化对结构抗震性能的影响。结果表明:自复位耗能摇摆框架结构的抗震性能优于RC框架结构,可实现改善结构变形模式、减小损伤和残余变形的目标。各参数变化对结构性能影响显著,SCEDB安装角度为30°～40°时,结构抗震性能最佳;增大SCEDB的第一刚度K1、第二刚度K2、初始预拉力P0和摩擦力F,均有利于提升结构的抗震性能;当SCEDRC布置为结构的中柱时,对提升整体抗震性能最为有利。

摇摆框架结构体系研究进展

摇摆结构体系是一种放松上部结构与基础之间约束或放松构件间约束,使两者接触面处仅受压而不受拉,确保结构在地震作用下发生抬起,并通过重力或预应力回复机制使结构复位形成摇摆行为的新型结构体系,能够有效降低构件损伤程度,提高抗震性能,便于震后修复。文中系统介绍了该新型体系基本力学原理,重点论述了两类结构的试验、数值模拟及设计方法的研究进展,并指出了该体系研究存在的不足和发展方向,为后续研究提供参考。

柱脚不同连接形式钢框架-摇摆墙结构抗震性能对比分析

增设摇摆墙后框架结构地震下柱脚仍会发生一定程度的塑性损伤,将柱脚设置为铰接或提离后有望减轻上述缺陷。以三层、六层和九层钢框架为基准模型,分别建立柱脚固接、铰接及提离三种框架-摇摆墙结构模型并进行动力弹塑性时程分析,对比各结构最大侧向位移、层间位移角、峰值加速度、层间剪力、墙体剪力和弯矩等;进一步建立耗能连梁固接和铰接的对比模型,研究连梁连接方式对结构抗震性能的影响。结果表明:三层模型中柱脚固接时侧向位移、层间位移角、加速度、层间剪力及摇摆墙墙体剪力的控制效果最优,六层、九层模型中分别对应柱脚提离和柱脚铰接效果最好;摇摆墙墙体剪力图和弯矩图分别呈现“C形”和“反C形”,柱脚固接时墙体弯矩均为最小,与层数无关。柱脚固接耗能连梁两端采用固接最优,柱脚铰接和柱脚提离时耗能连梁两端采用铰接形式效果更优。此分析可为框架-摇摆墙结构进一步推广应用提供参考。

非平稳随机地震激励下多层框架-摇摆墙结构的响应分析

框架-摇摆墙是一种可有效提高建筑抗震性和韧性的组合自复位结构,为充分了解其在地震下的随机响应特性,构建多自由度框架-摇摆墙结构的简化非线性方程,并利用等效线性化,基于响应的伪谐波行为假设,构建含时变参数的等效线性动力方程;基于随机平均的原理,得出控制响应幅值概率密度函数(PDF)的时间演变形式的福克-普朗克-科尔莫哥洛夫(FPK)方程,最终得出随机响应时间相关方差的一阶微分方程;并以某教学楼一榀框架为样本构建算例模型进行验证。结果表明:近似解析方法具有优异的精确度,在保证随机响应时间相关方差准确性的前提下,相对于传统的蒙特卡罗模拟(MCS)方法可提高分析的效率;在可分离形式和不可分离形式的非平稳地震动功率谱模型的结果中,随机响应方差曲线趋势与随机地震激励的形式相关,且在分段式调制非平稳谱作用下其分段点表现出很明显的不平滑现象;不同类型的随机地震激励扰动下的结果证明了此方法优异的适用性。

增层框架-摇摆墙体系抗震性能研究

目的基于既有建筑的结构无法满足使用需求现状,通过质量调节及变形模式控制实现结构自振周期延长与损伤可控。方法提出增层框架-摇摆墙体系,对该结构进行理论分析,研究增层对整体结构地震效应的影响机理;利用SAP2000平台建立五个有限元模型,基于规范反应谱开展参数敏感性、静力弹塑性和动力弹塑性分析;并在此基础上,提出摇摆墙简化力学模型。结果增层的质量及高度对整体结构地震作用影响显著;与原框架相比,增层后结构基本自振周期最大延长31.7%,最大弹塑性极限位移响应降低11.5%,最大位移角响应降低20.2%,结构变形不均匀性降低22.0%;与框架-摇摆墙相比,增层后摇摆墙弯矩在弹塑性极限状态下降低33.9%。结论合理设置增层框架-摇摆墙可以小幅降低结构整体地震作用,减小结构地震响应,对结构变形模式可实现有效控制;所建立的摇摆墙简化力学模型可合理反应地震作用下墙体弯矩分布,并使设计偏于安全。

基于静力试验的柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架地震响应数值分析

柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架(CR-RCFC)是一种新型的可恢复功能结构,通过摇摆节点的构造来“弱化”结构整体抗侧刚度,从而达到减小地震响应的目的。CR-RCFC结构在振动台试验中呈现了在中震和大震作用下“主体构件免损伤,耗能构件易更换”的韧性抗震效果。振动台试验后进行低周反复静载试验得到拆除阻尼器后的CR-RCFC结构柱铰节点弯矩-转角滞回曲线和转动刚度等抗震性能参数。利用静力试验得到的结构抗震性能参数进行结构地震响应数值模拟,将数值模拟结果与振动台试验结果进行对比分析。对比分析结果表明:通过静力试验数据可以精确得到CR-RCFC结构节点抗震性能参数,根据该抗震性能参数进行的数值模拟结果与振动台试验结果吻合较好。

基于静力试验的梁端铰型受控摇摆钢筋 混凝土框架地震响应数值分析

梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架结构(CR-RCFB)是一种新型可恢复功能结构。首先介绍了CR-RCFB结构的振动台试验,试验后结构主体构件没有损坏,仅可更换的耗能装置失效;其次对CR-RCFB结构进行低周反复加载试验,得到节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和转动刚度,并将实测力学参数提供给数值分析模型;采用ABAQUS软件建立了CR-RCFB无控结构与有控结构的有限元数值计算模型,对上述模型进行地震动时程分析,得到了结构动力特性和不同地震作用下的加速度响应和位移响应,并与振动台试验结果进行对比分析。研究结果表明,将静力试验得到的实测参数输入计算模型得到的数值模拟结果与振动台试验结果吻合良好。

框架-摇摆墙结构损伤后受力性能分析

基于已有的离散-连续参数模型,对损伤后框架-摇摆墙结构的受力性能进行了研究。假定损伤只发生在框架结构上,没有实现“强柱弱梁”的损伤方式,损伤以柱端产生塑性铰的形式出现。研究结果表明:相比未损伤前,损伤后结构的侧向变形有一定的增加,结构最大内力有增有减,二者数值大小的变化与产生塑性铰楼层位置和塑性铰的形式有关。对于框架-摇摆墙结构,有目的地设置薄弱层,对降低结构内力,使层间相对变形趋于均匀是有利的。

基于分布参数模型的摇摆墙-框架结构协同性能分析

为了研究自复位摇摆墙-框架(rocking wall-moment frame,RWMF)结构的协同工作性能,利用所提出的分布参数模型对自复位RWMF结构的协同工作原理与基本影响规律进行研究,建立并求解了完整的静力和动力方程;得到RWMF结构的侧移、内力和各阶动态响应的闭合解,通过参数分析研究框架与摇摆墙(rocking wall,RW)之间的刚度特征值λ和RW底部旋转约束R_(f)对协同性能的影响,并采用层间位移集中系数(inter-story drift concentration factor,DCF)量化RW与框架之间的协同性能。结果表明:RW的设计应满足λ<10,否则,RW对协同性能的影响将微乎其微;当λ值适中时,RW底部约束可以增进协同作用,R_(f)>5后,其约束的继续增大不会再增进RW与框架间的协同效果;当λ和R_(f)取1≤λ≤5∩0.1<R_(f)≤10时,自复位RWMF结构可以在分布均匀性和减小主体框架损伤之间实现平衡,达到最优的协同性能。

不同连接件的框架—拼装摇摆墙体系抗震性能研究

摇摆墙与框架结构结合形成的新型框架—摇摆墙体系能提高结构整体的抗震性能,但摇摆墙自身耗能效果有限,如果要保持摇摆墙的优势并大幅度减小框架结构的地震响应,还需要在框架—摇摆墙体系中附加耗能阻尼器。此外,有研究表明,与传统摇摆墙体系相比,拼装摇摆墙不仅在预制、运输、拼装上更灵活容易,在地震作用下墙体的内力也将大幅度减小,因此文章应用框架—拼装摇摆墙新型结构体系,利用OpenSees数值平台建立不同耗能连接件的框架—拼装摇摆墙体系的精细化数值分析模型,结合动力时程分析,对比研究仅采用刚性杆、金属阻尼器或黏滞阻尼器作为单一连接件对该体系抗震性能的影响。结果表明,相较于使用刚性杆连接,使用金属阻尼器或黏滞阻尼器连接的框架—拼装摇摆墙体系所受的地震力作用更小,并且连接部位所受的轴力较小,不易受到破坏,可将该体系的最大层间位移角控制在抗震规范限值内。

考虑SSI效应的山地掉层框架-摇摆墙结构的地震反应特性分析

掉层框架结构存在严重的侧向刚度不规则和楼层承载力突变以及上接地层变形集中的问题,为改善山地掉层框架结构的层屈服破坏模式,该文对其附加底部铰接的摇摆墙,以期控制结构的屈服机制,以山地掉层框架-摇摆墙结构体系为研究对象,探讨SSI(Soil Structure Interaction)效应对山地掉层框架-摇摆墙结构抗震性能的影响规律。结果表明,不同地基条件以及不同摇摆墙刚度比的掉层框架-摇摆墙结构的动力响应特性不同,SSI效应对结构的上接地侧接地层及其上层的影响最大,加重了山地掉层框架结构因竖向刚度不均所导致的上接地层的层屈服机制。设置摇摆墙结构在考虑SSI效应时仍发挥优良的控制上接地侧变形均匀化的效果,SSI效应随摇摆墙布置位置和摇摆墙刚度比的变化而变化。SSI效应会改变掉层框架结构的滞回耗能模式,布置摇摆墙后,考虑SSI效应的山地掉层框架-摇摆墙结构薄弱层的滞回耗能减小,各层滞回耗能更加均匀,体现了摇摆墙控制整体变形的能力。

考虑SSI效应的框架-摇摆墙结构响应数值计算研究

采用理论模型计算了考虑土-结构相互作用(SSI)效应的框架-摇摆墙结构的地震响应。所提出的模型可以在结构初步设计完成后,进行结构响应及参数设定的分析验证。根据所提出的理论模型,对固定地基的框架结构(RF)、考虑SSI效应的框架结构(SF)、固定地基的框架-摇摆墙结构(RW)以及考虑SSI效应的框架-摇摆墙结构(SW)四种模型进行了时域分析,并考虑了5种不同的土性。结果表明,SSI效应会增大框架-摇摆墙结构的响应,框架-摇摆墙结构对土体条件变化的敏感度比框架结构更高。因此,在框架-摇摆墙结构的抗震设计中,需要考虑SSI效应。如果不能准确地确定地基特性,可能会导致对响应的错误评估。

基于随机平均法的框架-摇摆墙结构随机激励响应分析

在地震作用下,传统的框架结构将出现层屈服机制,产生不可修复的损伤。摇摆墙的引入使结构的破坏机制趋向于整体屈服机制。摇摆墙结构通过放松墙底和基础之间的约束,允许墙体在地震作用下抬升并发生往复摇摆运动。为研究单自由度框架-摇摆墙结构在随机激励下的响应,通过建立其在非平稳地震激励下的往复摇摆运动方程,基于随机平均法将结构的非线性角度相关的运动方程转化为等效线性的位移相关运动方程,通过数值计算,分析单自由度框架-摇摆墙结构在非平稳地震作用下的随机响应。结果表明,与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulations,MCS)进行对比,所提方法具有较高的分析精度和合理性。

柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能的振动台试验研究

柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架结构,是经过特殊节点设计与结构控制理论相结合而形成的一种新型消能减震结构体系。通过对一个缩尺比1/3的三层三跨摇摆框架模型和一个同尺寸的常规钢筋混凝土模型进行模拟地震振动台对比试验,研究模型结构在不同水准地震作用下的动力特性、加速度响应、位移响应,分析结构的抗震性能。试验结果表明柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架集中耗能机制明确,地震作用后能自主复位,主体承重构件在大震下保持完好,是一种免损伤的新型结构体系。

基于弹塑性静力分析方法的一种摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能研究

研究了一种摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。首先建立了摇摆式钢筋混凝土框架结构的有限元模型并进行了试验验证;其次使用弹塑性静力分析方法评定无控及受控式摇摆钢筋混凝土框架结构的抗震性能;最后对比分析无控及受控摇摆式钢筋混凝土框架结构的抗震性能。结果表明设置阻尼器后的摇摆式钢筋混凝土框架的结构等效阻尼比大幅度提升,结构塑性变形耗能转变成阻尼器屈服耗能,结构位移响应得到了有效控制。

一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度取值研究

研究一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度的取值方法。首先，建立了摇摆式钢筋混凝土框架的有限元模型并进行了地震模拟振动台试验验证；其次，选择10条地震动曲线，研究9种不同节点相对刚度比情况下结构的动力时程响应分析；最后，利用层间位移放大系数、基底减震系数比较不同地震动作用下结构的峰值层间位移、层间剪力响应。结果表明：节点相对刚度比 S 取0．01～0．25为宜。

基于OpenSees摇摆减震钢框架名义抗侧刚度比影响性分析

防屈曲支撑(BRB)和柱脚摩擦阻尼器(FDCF)作为摇摆减震钢框架(RDSF)的减震单元,能够为RDSF提供抗侧力及附加阻尼比,对RDSF的耗能能力及相应抗震性能有关键性影响。名义抗侧刚度比λ对RDSF地震响应影响较大,将λ作为BRB和RDSF设计的关键参数,通过OpenSees有限元软件建立大量数值分析模型,综合分析并作大量计算。分别建立不同楼层RDSF数值分析模型,改变名义抗侧刚度比λ形成对比算例,通过弹塑性时程分析和往复位移加载方式研究RDSF在地震作用下框架响应。同时基于RDSF响应曲线和分析结果拟合框架设计过程中λ的公式。结果表明,λ对RDSF的位移响应和耗能能力影响明显,建议其取值范围为2.4~4.0,可在具备足够的抗侧刚度下充分发挥BRB的耗能能力。在楼层数大于15时,不同λ下BRB的耗能比几乎一致。

自复位支撑-摇摆框架结构体系及其基于位移抗震设计方法

本文提出一种可恢复功能结构体系——自复位支撑-摇摆框架结构体系,旨在同时实现较大刚度、自复位能力以及构件间的变形协调。针对可恢复功能结构体系防震能力强的特点,已建立了可恢复功能结构体系"小震及中震不坏,大震可更换、可修复,巨震不倒塌"的抗震设防四水准目标。文中结合可恢复功能结构体系四水准性能指标,采用基于位移的抗震设计方法,进行了自复位支撑-摇摆框架结构设计。以一幢四层结构为例,给出了四水准抗震设防目标下的基于位移设计方法算例,并建立了ABAQUS有限元数值模型,进行了弹塑性时程分析。分析结果表明,按文中方法设计的自复位支撑-摇摆框架体系可满足可恢复功能结构体系抗震设防目标,达到各性能指标要求。