一种新型扩孔螺栓连接型消能梁段及其力学性能

罕遇地震下偏心支撑框架结构需合理有效地增大消能梁段的延性和耗能能力,并减小消能梁段的损伤,以使该种结构能更好地适应当前的抗震要求。基于剪切型消能梁段的力学特性和扩孔型螺栓连接的受剪滑移能力,提出一种扩孔螺栓连接型消能梁段。采用校正的有限元方法对扩孔型螺栓连接和扩孔螺栓连接型消能梁段进行详细分析,以明确相应试件的力学性能。研究结果表明,扩孔螺栓连接型消能梁段具有高延性和强耗能等特点,能有效提高偏心支撑框架结构的抗震性能和震后功能恢复能力,并为偏心支撑框架结构的抗震设计提供新的思路和方法。

扩孔螺栓连接型消能梁段的耗能机理及设计方法研究

罕遇地震下,偏心支撑结构需合理有效地增大消能梁段的延性和耗能能力,并减小消能梁段的变形,以有效提高该种结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力。本文基于短剪切型消能梁段和剪切扩孔型螺栓连接的力学性能,提出一种扩孔螺栓连接型消能梁段。采用校正的数值分析方法对扩孔螺栓连接型消能梁段进行详细分析,以明确扩孔型螺栓连接和短剪切型消能梁段力学性能的相互影响,揭示其耗能机理,并建立相应的设计方法。研究表明,所提出的扩孔螺栓连接型消能梁段的耗能能力有明显提高,且在达到预期性能时有效减小短剪切型消能梁段的变形和损伤,有效提高了构件的震后功能恢复能力,由此为偏心支撑结构的抗震设计提供新的思路和方法。

带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构抗震性能研究

地震作用下,Y形偏心支撑结构需有效增大消能梁段的延性和耗能能力、减小消能梁段的变形,以使其满足"多遇地震、设防地震下无损伤,罕遇地震下损伤较小且震后功能可快速修复"的抗震设防目标。基于短剪切型消能梁段和剪切扩孔型螺栓连接的力学性能,提出一种用于Y形偏心支撑结构中的新型扩孔螺栓连接型消能梁段;采用校正的数值仿真分析法对短剪切型消能梁段、剪切扩孔型螺栓连接、扩孔螺栓连接型消能梁段进行研究,以明确扩孔螺栓连接型消能梁段的力学性能和耗能模式。经对某合理设计的带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构分析表明,多遇地震和设防地震下消能梁段无明显变形和损伤,罕遇地震下通过剪切扩孔型螺栓连接和短剪切型消能梁段双重耗能机制,有效提高偏心支撑结构的抗震性能和减小消能梁段的损伤,为偏心支撑结构的抗震设计提供新的思路和方法。

扩孔螺栓连接型消能梁段的力学模型及参数研究

当前国家对建筑结构的抗震性能和震后功能恢复能力提出了更高要求。基于短剪切型消能梁段的受剪屈服特性和剪切扩孔型螺栓连接的受剪滑移性能,提出一种新型扩孔螺栓连接型消能梁段,可有效增大消能梁段的延性和耗能能力并同时减小消能梁段的损伤,使带扩孔螺栓连接型消能梁段的新型Y形偏心支撑结构更好地适应当前要求。采用有限元方法详细分析扩孔螺栓连接型消能梁段的滞回性能、破坏模式和耗能机理,由此得到其骨架曲线和力学模型,并阐述其力学模型的影响参数,为相应偏心支撑结构的设计和分析提供理论依据。

短剪切型消能梁段的力学性能及其影响因素研究

已有研究表明,长度比小于1.0的短剪切型消能梁段与普通剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角存在较大差异。该文基于Q235和Q345钢材,设计108个考虑加劲肋间距、翼缘与腹板面积比、翼缘强度和跨高比等因素的模型,并采用与已有试验结果对比验证的有限元分析方法,详细研究短剪切型消能梁段的力学性能及各因素的影响规律。结果表明,短剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角分别能达到1.90和0.13,加劲肋间距系数和翼缘宽厚比可分别放宽至40和10(235/f_y)^(1/2)。另外,增大翼腹比可有效提高短剪切型消能梁段腹板受剪屈服后的承载力,但改变翼缘强度和跨高比对其性能无明显影响。

剪切型消能梁段超强系数的影响因素及规律分析

基于已有试验结果,详细分析影响不同长度比剪切型消能梁段超强系数的主要因素。设计多组考虑腹板强屈比、加劲肋间距比、翼腹比、翼缘与腹板强度比和跨高比等因素的模型,并采用校正的有限元分析方法详细研究各因素对超强系数的影响规律。结果表明:对短剪切型消能梁段,腹板会发生全截面受剪屈服,翼腹比可有效增大子框架的承载力,翼缘与腹板强度比和跨高比对其超强系数无明显影响;对普通剪切型消能梁段,端部翼缘的屈曲使腹板仅部分截面受剪屈服,且增大翼腹比、翼缘与腹板强度比和跨高比可明显提高其超强系数。另外,加劲肋间距比对不同长度剪切型消能梁段的超强系数均有明显影响。

钢连梁可更换消能梁段抗震性能试验研究

通过12个可更换钢连梁中消能梁段试件的拟静力试验,研究其抗震性能。试验参数包括腹板钢材类型、梁段长度、加劲肋布置方式和加载制度。试验结果表明:试件为剪切屈服型,破坏模式为加劲肋-腹板焊缝断裂或翼缘-端板焊缝断裂;试件的超强系数平均值为1.86,大于Popov等学者的建议值1.5;试件的极限塑性转角约为0.15 rad,远大于规范AISC 341-10规定的塑性变形限值0.08 rad;梁段腹板采用低屈服钢LY225代替Q235钢时,试件的极限塑性转角增大23%,试件的累积塑性转角增大52%;加劲肋单面布设或双面布设对试件的抗震性能影响不大,但加大加劲肋间距会导致腹板提前屈曲和试件承载力退化,建议低屈服钢消能梁段的加劲肋布置按照规范AISC 341-10和GB 50011—2010对一般消能梁段的规定。在剪切往复荷载作用下,试件的轴向位移由几何位移和塑性轴向变形两部分组成,试件的塑性轴向变形与其累积塑性转角成正比。

可更换剪切钢板阻尼器偏心支撑框架分析

针对偏心支撑框架体系耗能梁段震后修复难度大、经济性差的问题,提出了采用剪切钢板阻尼器作为可更换耗能梁段的偏心支撑结构体系。采用ABAQUS有限元软件对国外已完成的可更换耗能梁段偏心支撑试验进行结构分析,验证了有限元建模的正确性,分别对不同腹板宽厚比、腹板钢材屈服强度、腹板加劲肋设置情况下的剪切钢板阻尼器K型、D型偏心支撑钢框架进行结构分析,研究了耗能梁段的变形机制、滞回耗能能力以及局部失稳、局部破坏形态。分析结果表明:剪切钢板阻尼器作为耗能梁段是可行的,阻尼器首先发生屈服,起到了主要耗能作用,在实际工程应用中建议剪切钢板阻尼器腹板宽厚比宜小于30,腹板钢材宜采用软钢及低屈服点钢,采用加劲肋来保证阻尼器不发生平面外屈曲。

偏心支撑结构体系的研究进展及展望

偏心支撑结构作为一种消能减震结构体系,近几十年来得到了广泛的研究和应用,取得了许多具有理论价值和工程意义的成果,并在新建建筑、桥梁和建筑抗震加固等领域中得到了应用。随着国家对建筑结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力提出了更高的要求,偏心支撑结构在实际工程中将会有更加广泛的应用。为此,从剪切型消能梁段和偏心支撑结构体系的角度出发,详细阐述了剪切型消能梁段的力学性能及其影响因素,以及偏心支撑结构的抗震性能、破坏模式和震后修复方法等。最后,提出一种新型组合楼板和扩孔螺栓连接型消能梁段并应用于偏心支撑结构体系中,由此进一步提高偏心支撑结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力,使该种结构体系能更好地适应当前要求。

可更换钢管铅芯阻尼器偏心支撑框架分析

为解决传统偏心支撑结构震后修复困难、经济性差的问题,提出了以钢管铅芯阻尼器作为耗能梁段的可更换耗能梁段偏心支撑结构方案。共设置18组试件,采用有限元软件ABAQUS对不同钢管高径比、径厚比、钢材屈服强度情况下的可更换钢管铅芯阻尼器K型、D型偏心支撑钢框架进行结构分析,考察了耗能梁段、整体框架结构的变形机制、滞回耗能能力以及局部屈曲、局部破坏形态。分析结果表明:可更换钢管铅芯阻尼器偏心支撑框架耗能性能优良、工作性能稳定,钢管铅芯阻尼器首先发生屈服,钢管与铅芯协同工作,并起到主要的耗能作用。在可更换偏心支撑结构实际工程应用中的钢管铅芯阻尼器,建议其钢管高径比宜小于3、钢管径厚比宜大于0.13、钢管钢材宜采用软钢及低屈服点钢。

基于功能平衡原理和能量耗散系数的Y形偏心支撑结构设计方法

根据功能平衡原理和预先选定的目标位移与屈服机制,可得到Y形偏心支撑结构的基底剪力和各楼层剪力值。结合《建筑抗震设计规范》、短剪切型消能梁段的能量耗散系数和框架梁的耗能折减系数,可得到各楼层消能梁段的塑性剪力和塑性弯矩。详细研究支撑与短剪切型消能梁段的刚度比对Y形偏心支撑结构侧移的影响,可明确刚度比和支撑刚度的合理取值,并提出相应的结构设计方法。基于所提出方法对某6层Y形偏心支撑框架进行设计,并采用静力弹塑性分析法进行验正。算例结果表明:该方法无需进行复杂的计算和迭代,就能使所设计Y形偏心支撑结构满足多遇地震和罕遇地震下的屈服机理和层间位移等要求。

偏心支撑框架的设计计算方法

我国《建筑抗震设计规范》(GB5 0 0 11- 2 0 0 1)规定 ,8度以上宜采用偏心支撑 ,但我国至今没有一个自行设计的工程用过这种支撑。参考美国计算例题、相关规范 ,并依据我国规范 ,对偏心支撑框架的实际计算方法进行讨论 ,总结出适合我国规范和实际情况的偏心支撑框架设计计算方法。其中 ,重点介绍了各杆件的内力计算、消能梁段的设计、非消能梁段的设计、支撑的设计、柱的设计等 ,给工程设计提供理论基础和实用方法 。

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。

偏心支撑钢框架设计方法

着重阐述了消能梁段的设计方法 ,其中包括消能梁段的长度确定和截面选择 ,消能梁段的腹板加劲肋、连接和侧向支撑的设计。并对消能梁段以外其它构件的设计方法进行了介绍 ,以增强工程设计人员对该结构体系的了解。

低屈服点钢偏心支撑框架抗震性能研究

将偏心支撑框架中的消能梁段腹板替换为低屈服点钢材,形成低屈服点钢偏心支撑框架。为实现震后修复的功能,消能梁段与主体结构通过高强螺栓及端板进行连接。建立了单层支撑框架和高宽比为2的高层支撑框架,对比分析了普通钢偏心支撑框架与低屈服点钢偏心支撑框架的抗震性能。有限元分析结果表明,单层支撑框架在相同变形状态下,低屈服点钢偏心支撑框架中的框架柱、支撑轴力显著降低,非消能梁段弯矩和剪力均有降低。高层支撑框架中,中、大震状态下低屈服点钢偏心支撑框架的位移和基底剪力均低于普通钢偏心支撑框架的位移和基底剪力,且抵抗超大震作用的能力更强。可更换消能梁段的抗震性能试验结果同样验证了采用低屈服点钢消能梁段后,相邻构件的内力降低,采用现有规范设计的螺栓和端板能够保证连接部位处于弹性状态,实现震后更换的目的。

偏心支撑框架结构整体刚度方程的建立和求解

对偏心支撑框架消能梁段在不同屈服状态下耗能的计算方法进行了分析 ,对空间杆单元刚度方程的建立进行了理论推导 ,并对结构整体刚度方程的求解步骤进行了详细阐述 。

北京泰康大厦钢结构设计

北京泰康大厦为高烈度地震区的超高层建筑。综合考虑建筑形体、功能与布置以及结构抗震要求,主体结构采用双重抗侧力体系钢框架-支撑筒体结构。塔楼外围为钢框架结构,中间核心筒采用带消能梁段的偏心支撑筒体,整体结构具有质量轻、地震作用小、抗震性能优越等优点。整体结构分析表明,结构各项整体指标均满足规范要求。对带消能梁段的偏心支撑筒体、外框斜柱、角部大悬挑楼盖结构以及地下室矩形钢管混凝土柱剪力墙筒体等关键结构构件进行了深入分析,提出了合理的应对措施和设计构造。

偏心支撑框架的设计方法概述

参考美国抗震规范AISC 341—05和GB 50010—2010建筑抗震设计规范,对偏心支撑框架的设计方法进行探讨,重点介绍了消能梁段、加劲肋的布置、柱、支撑以及消能梁段以外梁段的设计,预期可增强设计人员对该种结构体系设计方法的了解,为同类结构体系的设计提供参考。

可更换钢连梁抗震性能试验研究

通过拟静力试验,研究由跨中部消能梁段和两端非消能梁段组成的可更换钢连梁的抗震性能和震后可更换能力。试验共包括4个连梁试件,采用4种不同的消能梁段与非消能梁段连接方式,分别为端板-抗剪键连接、拼接板连接、腹板-螺栓连接、腹板-结构胶连接。试验结果表明:采用端板-抗剪键连接时,连梁的塑性变形和损伤集中在消能梁段,连梁的极限塑性转角可达0.06 rad,具有稳定的滞回耗能能力;采用拼接板连接或腹板-螺栓连接时,消能梁段剪切屈服,连接处摩擦型高强螺栓有不同程度的滑移,连梁的极限塑性转角也可达0.06 rad;采用腹板-结构胶连接时,连接处结构胶开裂导致连梁脆性破坏。在连梁转角为0.02 rad加载后对消能梁段进行更换,采用端板-抗剪键连接的试件更换时间最短,而腹板-螺栓连接的试件能在更大的残余转角时更换。此外,消能梁段在较大塑性剪切变形时伴有轴向变形,导致连梁试件承受较大轴力,连梁的轴力影响需要进一步研究。

偏心支撑钢框架基于性能的塑性设计方法研究

罕遇地震下采用弹性分析所设计的偏心支撑框架发生较大的非弹性变形时,可能无法满足预期的破坏模式和抗震性能。通过预先确定结构在非弹性变形下的目标位移和屈服机理,结合《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）并考虑消能梁段的耗能折减系数,提出了偏心支撑框架基于性能的塑性设计方法。该方法还采用能量平衡原理和一种侧向力分布方式得到结构的基底剪力和各楼层的剪力,并根据塑性设计法合理设计所有构件。设计某12层偏心支撑钢框架,采用动力弹塑性时程分析法验正所提出方法的正确性。算例结果表明：该方法可用于设计偏心支撑钢框架结构,且无需进行复杂的计算和迭代,就能使结构满足多遇及罕遇地震下的预定功能。