采用消能连梁的高层框架-核心筒结构减震方案分析

高层框架-核心筒结构在我国大中城市应用较多,该类建筑往往功能复杂且内部人口密集,若地震中发生严重破坏将造成严重的经济损失和人员伤亡。为了有效控制该类结构地震损伤,利用截面优化型消能连梁对其进行减震设计,通过比较多种减震方案对整体结构地震损伤控制的影响选择最优的减震设计方案。以某17层框架-核心筒结构为算例,采用MSC.MARC有限元软件建立数值模型,利用算例结构缩尺振动台试验现象以及截面优化型消能连梁拟静力试验结果,验证了该数值模型的准确性。进一步利用该数值模型对结构进行动力时程分析,通过层间位移角、损伤云图、附加阻尼比等指标综合对比各减震方案的效果。结果表明:消能连梁的刚度与原结构混凝土连梁相等,且强度略低于原结构混凝土连梁,约为0.8倍时,对整体结构的损伤控制效果最佳;当消能连梁在各楼层满布时,对结构整体的损伤控制效果最好;大震工况下,按上述满布方案设计的消能连梁可以减小结构26.3%的层间位移角,使结构的附加阻尼比达到8.73%。本研究为该类高层结构的消能减震设计提供了参考方案。

采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%-42.0%的层间位移角和41.0%-44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。

设置消能连梁的某框-剪结构抗震性能研究

对在连梁处设置软钢剪切型阻尼器的某框架-剪力墙结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了研究。分析结果表明,仅在底部加强区设置约束边缘构件时,结构不能满足大震不倒的设防要求,该结构剪力墙中约束边缘构件应通高设置,抗震构造措施提高后的结构能够达到大震设防目标,剪力墙累积受压损伤得到有效减小,各层连梁中的阻尼器均起到了较好的消能减震作用,提高了结构的整体抗震性能。

消能连梁子结构试验研究

本文对带缝钢板阻尼器消能连梁进行了子结构试验研究,带缝钢板阻尼器通过预埋钢板与混凝土部分螺栓连接,与相同配筋的混凝土连梁相比,屈服强度为50%,刚度为80%,通过使阻尼器先于混凝土进入屈服,达到集中变形、耗散能量、控制损伤及震后快速恢复的目的。本文设计进行了1/3缩尺的连梁拟静力试验,相同加载工况下无控和有控试件的试验现象及力学性能对比表明,带缝钢板阻尼器消能连梁的刚度是混凝土连梁的80%,强度基本相同,混凝土部分破坏大幅削减,耗能明显提升。

可更换消能连梁抗震性能试验

为了解决高层混合结构地震损伤严重的问题,对其破坏集中的位置进行消能减震设计并进行试验研究.高层混合结构在我国应用广泛,实际地震震害以及振动台试验结果表明,该类结构损伤集中在核心筒连梁.而传统的钢骨混凝土连梁在剪切变形下往往过早破坏而提前退出工作,使得地震能量进一步传递给其他结构构件最终破坏.为此,设计了跨高比为1. 8和2. 5的可更换消能连梁.考虑了楼板对承载力的影响,对于消能连梁试件,楼板上浮30 mm.通过拟静力试验研究其关键力学性能,并检验公式的合理性.结果表明,消能连梁提前进入屈服,保护了墙体免受损伤;连梁根部锚固位置的弹性变形易导致连梁初始刚度下降,建议优化该部分构造,提高整体刚度;楼板上浮以后,对连梁承载力基本没有贡献;试验结果比设计公式计算结果偏小.

带阻尼器消能连梁抗震性能试验研究

通过4个布置带缝钢板阻尼器的消能连梁试件的拟静力试验,研究其抗震性能。试验结果表明:阻尼器为剪切屈服型,试验中阻尼器未出现面外屈曲,试件破坏模式为阻尼器弯曲单元断裂破坏或预埋件与混凝土之间锚固破坏;阻尼器的承载力超强系数均大于1.5,平均值为1.63;连梁混凝土部分变形和滑移变形占连梁整体变形的比例随连梁转角增大而减小,阻尼器变形最后能达到整体变形的80%,能有效将变形集中于阻尼器;连梁混凝土部分变形主要为弯曲变形,混凝土剪切变形只占连梁整体变形的2%左右;4个试件混凝土裂缝达0.2mm时连梁转角基本在0.8%左右;加载到连梁转角3.3%时,阻尼器弯曲单元断裂破坏试件混凝土裂缝宽度达到0.5mm,而其余试件由于锚固破坏混凝土裂缝宽度较大,达到2mm左右。

带消能连梁的矩形空心双柱式高墩抗震性能试验研究

基于震后功能可恢复的设计理念,按1/20几何缩尺比设计和制作了矩形空心双柱式高墩和带消能连梁的矩形空心双柱式高墩模型,开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验研究,分析了试件的破坏形态及过程,比较研究了试件的强度、累积滞回耗能、墩柱曲率和位移延性等抗震性能参数。试验结果表明:与普通的矩形空心双柱式高墩相比,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更好的耗能能力、承载能力和位移延性能力,消能连梁可有效减小墩柱曲率,从而有效降低了墩柱的地震损伤。因此,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更优良的抗震性能。

高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论

本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例,采用ETABS软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题。以阻尼器刚度、设计极限位移、附加阻尼比等参数为基本参量,以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标,对比研究了阻尼器空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律。验证了阻尼器刚度参数变化影响结构主振周期变化,进一步影响层间剪力减震效果;阻尼器设计极限位移参数变化引起结构整体耗能能力变化,即阻尼器的设置增加了结构附加阻尼比尤其是大震附加阻尼比,使结构大震作用下的层间位移反应得到有效控制。给出了如下设计建议:当在高层剪力墙结构中采用消能连梁进行消能减震设计时,应尽可能将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处,并使阻尼器的设计屈服位移和极限位移分别与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配。在设计过程中应通过调整阻尼器刚度尽可能延长消能减震结构的基本振动周期,优化阻尼器布设位置和数量,最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献,达到显著降低结构地震反应的目的。

可更换波形钢腹板连梁低周反复加载试验研究

为研发新型、可更换的消能构件及建立震后性能可快速恢复的桥梁结构体系,提出一种新型的波形钢腹板消能连梁并将其应用于桥墩横梁或盖梁上。通过对6个消能连梁进行低周反复加载试验,比较了不同跨高比、腹板形式(波形和工字形)试件的破坏机理及滞回曲线、骨架曲线、位移延性系数等抗震性能参数。研究结果表明:试件失效分为翼缘板-端板焊缝断裂、腹板撕裂和翼缘板及腹板屈曲破坏三种破坏形态,在波形腹板连梁加载后期翼缘板屈曲导致试件整体破坏;在各试件转角相同的情况下,波形钢腹板连梁的耗能能力比工字形钢腹板连梁的强,跨高比小的波形连梁具有更好的荷载保持能力与耗能能力,但延性较差。

偏心支撑框架新型消能连梁腹板可更换研究

偏心支撑框架兼具纯框架延性好和中心支撑框架强度刚度高的优点,强震作用下结构的塑性变形主要集中在消能连梁,而其余部位保持在弹性阶段&结构中消能连梁的翼缘常与楼层板相连,会给消能连梁的更换带来困难&为此,提出将剪切型消能连梁的腹板移出,然后将腹板两端焊接端板,通过螺栓重新组成可更换新型消能连梁&该新型连梁主要由上、下翼缘板和可更换新型腹板组成&通过理论推导给出了可更换消能连梁弹性刚度、屈服承载力和剪切屈服型临界长度等关键参数的解析计算式,并通过有限元确认其准确性&此外,有限元分析也表明可更换消能连梁滞回曲线饱满稳定,耗能能力强,当连梁剪切变形逐渐增大时,新型腹板首先发生剪切屈服,然后发生全截面屈服,而上、下翼缘只有端部表面进入屈服,其余部分保持在弹性阶段,实现了消能连梁的主要损伤集中在新型可更换腹板上.

基于滑移连接的分阶屈服金属连梁阻尼器抗震性能研究

本文提出了一种新型的基于滑移连接的分阶屈服型金属阻尼器,布设在连梁跨中构成消能连梁。主要介绍了其构造形式、耗能机理及设计方法。并利用有限元软件ABAQUS模拟,分析了其在低周往复加载下的滞回性能。结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,耗能性能优良,能够实现第二阶段的刚度增强,具有良好的减震效果。该阻尼器构造简单,制作方便,采用高强螺栓连接,更换方便,有广阔的工程应用前景。

联肢剪力墙结构连梁的抗震试验研究

为研究双肢剪力墙结构大剪跨比(μ≥2.5)钢筋混凝土耗能连梁的力学性能。设计了3个剪跨比为3.0的钢筋混凝土连梁构件,其中2个为普通混凝土连梁,1个为设置消能装置的连梁,通过低周往复加载试验,对比分析了裂缝发展、连梁转角、荷载-位移曲线、骨架曲线、构件刚度以及耗能能力。分析结果表明,采用金属耗能装置的钢筋混凝土连梁可以有效降低连梁自身混凝土段和墙肢的损伤,主要变形集中在金属耗能装置中,可以很好地实现震后构件的快速更换,带阻尼器连梁没有出现普通连梁承载力超强的问题。

铰支墙-框架新型结构体系的损伤控制研究

震后可恢复性(Earthquake Resilience)已经成为了建筑结构体系的重要评价标准之一。作为高层建筑结构中最主要的抗侧力构件,钢筋混凝土剪力墙在近几次大地震中暴露出了震后可恢复性方面的缺陷。主要表现为连梁损伤严重、难以修复;剪力墙底部钢筋屈曲、混凝土压溃、剪切破坏明显,同样难以修复。针对上述两点问题,本文分别研究了剪切型金属阻尼器连梁和塑性铰支墙两种构件,建立两类构件的设计方法和简化数值模型。在此基础上运用连续化方法对铰支墙-框架结构体系中塑性铰支墙和消能连梁的强度和刚度需求进行了讨论。本文的主要研究内容如下:(1)对国内多组普通RC连梁和剪力墙构件试验的结果进行了统计分析,其结果显示了两类RC构件的变形能力与设计参数之间的关联存在较明显的离散性。(2)提出了带缝钢板阻尼器及跨中布置该阻尼器的剪切型消能连梁。本文进行了大剪跨比(r=3.0)的普通RC连梁和剪切型消能连梁的对比试验研究,结果显示,普通RC连梁和消能连梁试件的实测峰值荷载和名义屈服剪力值相差在4%以内。消能连梁阻尼器可以更早地进入屈服耗能状态,避免连梁混凝土部分遭受严重损伤。消能连梁变形的80%以上集中在阻尼器内,充分发挥了位移相关型阻尼器的耗能能力。阻尼器连接构造存在滑移,一定程度上影响了阻尼器性能的发挥。最后,建立了消能连梁的简化数值模型并验证了其适用性。(3)针对剪力墙底部墙肢复杂的弯剪耦合作用机制,提出了抗弯/抗剪功能分离的塑性铰支墙并建立了相应的承载力和刚度设计公式。塑性铰支墙与普通RC剪力墙的对比试验证明,本文提出的设计方法可以更准确地获得塑性铰支墙不同性能目标下的力学性能;塑性铰支墙具有更强的变形和耗能能力;塑性铰支墙的总变形中,弯曲变形占有绝对比重,避免了铰支墙发生剪切型破坏,保证了"强剪弱弯"的性能,从而避免了底部墙肢的不可修复损伤。(4)对塑性铰支墙的主要设计参数进行了研究,给出了相关建议。建立塑性铰支墙的简化数值模型。其中,采用在纤维模型的截面附加剪切恢复力本构来模拟RC剪力墙的方法,以及采用零长单元模拟阻尼器连接段非线性行为的方法均根据试验结果进行了准确性验证。在此基础上研究了塑性铰支墙几何参数(墙肢宽高比r、铰支座高度比μ)、轴压比ν、阻尼器核心段初始刚度K_(ed)对墙肢力学性能的影响,参数分析的结果显示,阻尼器性能的发挥主要受几何参数的影响,建议将塑性铰支墙布置在结构底部加强层范围内,高宽比r≤1.0,同时,铰支座的布置高度不宜超过铰支墙高度的60%。在满足阻尼器极限变形要求的前提下,通过选择更大的高度比μ和初始轴向刚度K_(ed)更大的阻尼器,可以使塑性铰支墙获得更高的承载力和刚度。(5)采用连续化设计,对铰支墙结构和铰支墙-框架结构在3种常见类型的水平荷载作用下的效应进行分析。结果表明,连续化设计方法可以得到铰支墙结构的结构响应,内力和变形计算公式中均显出铰支墙所在层的性能对结构响应的影响比较明显。