考虑余震和耗能梁损伤的K-EBF结构抗震性能分析

针对构件失效会改变结构原有受力状态,同时建筑物可能会因余震的影响而产生严重破坏甚至倒塌的问题,研究了耗能梁构件损伤失效和余震对K形偏心支撑钢框架(K-EBF)结构抗震性能的影响。对12层和18层K-EBF结构算例以最大层间位移角为地震需求参数,峰值地震加速度(PGA)为地震动强度参数进行了增量动力分析、结构易损性分析和抗倒塌性能评估。结果表明:同时考虑余震以及耗能梁损伤失效与均不考虑相比,12层和18层结构在设防地震时的最大层间侧移角θ_(max)分别增大2.3%和8.4%,重度损伤失效概率分别增大0.6%和2.8%;罕遇地震时的θ_(max)分别增大21.0%和42.1%,重度损伤失效概率分别增大11.6%和19.4%;另外,12层和18层结构的最小抗倒塌储备系数分别下降了32.1%和31.2%;总体上,余震会加剧结构损伤累积,其对结构的影响程度会随地震动强度的变大而增加;在考虑耗能梁构件损伤失效后,结构不同极限状态下失效概率会进一步增大,造成结构的最小抗倒塌储备系数进一步下降;因此,在K-EBF结构抗震性能分析时应充分考虑余震和耗能梁损伤失效所造成的影响,以真实反映结构地震作用下的响应。将耗能梁的损伤失效和余震的影响同时纳入考虑范围可更全面地分析K-EBF结构的抗震性能,为抗震设计提供更可靠的依据。

带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究

为提高弯曲型耗能梁塑性变形能力,提出一种带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构。采用数值模拟方法研究削弱起点a、削弱深度c及耗能梁加劲肋间距等关键设计参数对带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构抗震性能的影响,对比削弱模型与Base模型之间的承载能力、刚度及耗能能力等性能指标。结果表明,当削弱起点a取值在2h_(f)~3h_(f)之间、削弱深度c取值在2t_(f)~4t_(f)之间及加劲肋间距为0.7b_(f)左右时,削弱模型与Base模型各性能指标相差不大。带骨式削弱设计及加劲肋间距能够使耗能梁端部翼缘更大区域出现弯曲塑性变形,提升耗能能力,为后续进行弯曲型偏心支撑结构抗震性能研究提供参考。

采用端板螺栓连接的可更换耗能梁抗震及可更换性能试验研究

为研究端板-螺栓连接可更换耗能梁的抗震及可更换性能,设计制作了4个可更换耗能梁试件并进行了拟静力试验,研究不同长度系数对可更换耗能梁抗震性能和可更换能力的影响。结果表明:当长度系数较小时,试件发生剪切破坏,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂;当长度系数较大时,试件发生弯剪破坏,破坏特征包括梁端翼缘-端板焊缝撕裂和梁端翼缘屈曲;所有试件的滞回曲线非常饱满,具有优异的变形能力和耗能能力;可更换耗能梁的抗剪承载力强化明显,超强系数均值为1.9;采用端板-螺栓连接的可更换耗能梁均可实现震后可更换,当梁端残余转角为0.0020 rad~0.0046 rad时耗能梁可以实现震后更换,且更换快捷、操作简单;同时,根据耗能梁构件与带可更换构件的RCS混合框架结构体系的几何变形特征,可以将耗能梁的主要受力阶段划分为正常使用、非必要更换和必要更换3个阶段。

短型长度系数对耗能梁抗震性能的影响试验及有限元研究

与传统框架结构体系相比,带可更换构件的框架结构体系能够实现震后建筑结构功能快速恢复,减少地震作用对建筑结构正常生活和生产的影响。为研究可更换耗能梁的抗震性能,共设计并制作4个试验试件,对其进行低周反复加载,研究其破坏特征、滞回性能、骨架曲线。利用ABAQUS软件建立了可更换耗能梁精细化有限元分析模型,研究短型长度系数对可更换耗能梁抗震性能的影响规律,分析建模方法的可靠性。该研究提出了剪切型可更换耗能梁抗剪承载力的计算公式,可供工程设计参考使用。研究表明:试验中可更换耗能梁发生剪切屈服型与弯剪屈服型两类破坏模式,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、翼缘屈曲和端板焊缝撕裂;试件具有良好的承载力与变形能力,能够实现震后可更换;有限元分析与试验结果吻合良好,建模方法可行。随着试件长度系数的增加,耗能梁的承载力、变形、耗能能力等均减弱,试件翼缘抗剪贡献可达梁段抗剪承载力的10%以上。与Popov等的建议值1.6相比,当耗能梁的长度系数接近1.4时,试件破坏模式由剪切型破坏向弯剪型破坏模式转变。

梁端加强板构造对可更换耗能梁段受力性能的影响

为了改善可更换结构体系中可更换耗能构件的受力性能,提出一种梁端端板螺栓+加强板连接构造的可更换耗能梁构件。设计并制作了2个足尺的剪切屈服型可更换耗能梁试件,对其进行拟静力反复加载试验,并采用ABAQUS软件进行有限元模拟分析,探讨梁端连接构造对可更换耗能梁破坏模式、承载力、梁端塑性应变等特征的影响。试验结果表明:试件的破坏模式为腹板-加劲肋焊缝断裂或翼缘-端板焊缝断裂,试件具有良好的承载力和耗能能力;梁端加强板构造能有效转移梁端翼缘-端板焊缝区域的塑性应变,避免构件提前发生翼缘-端板焊缝断裂,导致无法满足其变形和震后可更换需求;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。对5类梁端加强板构造模型进行非线性分析,结果表明,该类梁端构造均能改善梁端翼缘-端板焊缝区域应力集中现象,优化其受力特征。提出可更换耗能梁梁端端板螺栓+加强板构造的设计方法,并通过有限元模型验证了其可行性。

剪切屈服型多耗能梁K形偏心支撑钢框架抗震性能研究

为了解决偏心支撑钢框架结构延性导致的地震作用取值偏大等问题,研究了剪切型多耗能梁偏心支撑结构的抗震性能。在试验模型的基础上,基于耗能梁腹板受剪面积基本不变的前提下,把耗能梁段的截面设计成多耗能梁模式,采用ABAQUS有限元软件建立了8个数值模型,分别进行单调加载和循环加载,分析了破坏模式、滞回曲线、承载力、刚度及耗能能力随耗能梁个数变化的情况。结果表明,耗能梁段塑性变形发展充分,有效保护了其他的非耗能构件;结构的承载力、屈服位移及耗能能力要好于单耗能梁模型;每个多耗能梁模型的初始刚度相差较小(4%以内),均小于单耗能梁模型,但多耗能梁模型能够延缓结构刚度的退化速率。所提模型能提高结构的抗震性能,对实际工程应用有一定的参考价值。

翼缘宽厚比对耗能梁性能的影响

基于Q235钢材设计70个不同翼缘宽厚比和长度的耗能梁分析模型来重新评估翼缘宽厚比。与已有试验对比,验证有限元分析方法的准确性。研究结果表明,剪切型和弯曲型耗能梁的翼缘宽厚比可放宽至10 235/fy,并得到不同长度耗能梁的破坏模式、超强系数和滞回曲线。根据耗能梁的破坏模式和耗能能力,建议剪切型耗能梁的长度比取1.30～1.50。提取每次循环中最大位移点可得到耗能梁的骨架曲线,并由此提出剪切型和弯曲型耗能梁的力-位移曲线。

剪切型耗能梁K形偏心支撑钢框架结构抗震性能研究

提出了一种新型剪切型耗能梁K形偏心支撑钢框架(耗能梁与框架梁不等截面,Q2模型),为验证其抗震性能并与传统的剪切型耗能梁K形偏心支撑钢框架(耗能梁与框架梁等截面,Q1模型)对比,对两个1∶2.6缩尺的单榀、单跨、单层框架模型进行了拟静力试验。结果表明,两个模型的塑性变形基本集中于耗能梁段上,试验结束时两个模型的承载力均未出现下降;Q2模型的承载力、初始刚度比Q1模型低,在相同位移下,耗能能力也小于后者,但Q2模型耗能梁段的转动能力及结构整体延性好于Q1模型,且Q2模型的用钢量较后者减少11.5%。为研究耗能梁长度对两种类型结构抗震性能的影响,采用有限元软件ABAQUS建立8个数值模型并对其进行了非线性滞回性能分析,分析了滞回曲线、承载力、刚度及耗能能力随耗能梁长度的变化规律,最后给出了关于耗能梁长度的设计建议。

带弯剪屈服耗能梁段的K形偏心支撑钢框架滞回性能研究

基于削弱耗能梁截面尺寸的原理,提出了一种新型带弯剪屈服耗能梁段的K形偏心支撑钢框架结构。为验证其抗震性能,完成了1个1∶2.6缩尺的单层、单榀、单跨模型的拟静力试验。结果表明,试验模型的塑性变形基本局限在耗能梁段上,且主要通过耗能梁端部上、下翼缘和中部的腹板耗散能量,试件表现出较好的耗能能力和延性。为进一步研究其抗震性能,在试验模型的基础上改变了中部剪切型耗能梁(简写为SL)的长度l_(m),采用ABAQUS有限元软件建立了8个数值模型并对之进行了滞回性能分析,分析了滞回曲线、承载力、刚度及耗能能力等随l_(m)/e(e为耗能梁整体的长度)的变化规律,并给出了l_(m)/e的设计建议。总体上,提出的新型带弯剪屈服耗能梁段的K形偏心支撑钢框架结构具有较好的抗震性能,建议实际工程中采用。

长耗能梁-偏心支撑机制对中心支撑钢框架结构抗震性能的影响

为研究地震作用下人字形中心支撑钢框架结构因支撑的部分失效导致的长耗能梁-偏心支撑机制对结构抗震性能的影响,基于ABAQUS建立了6层人字形中心支撑钢框架结构数值模型,开展了增量动力分析与易损性分析,对比了考虑与不考虑长耗能梁-偏心支撑机制时结构抗倒塌性能的差异,分析了结构的损伤演化过程。结果表明:长耗能梁-偏心机制改变了结构的失效过程,抑制了薄弱层的产生与发展,对结构抗震性能具有显著影响,算例结构的倒塌富余度提高20%以上;梁的抗弯刚度对长耗能梁-偏心支撑机制具有一定影响,较大的刚度将不利于该机制的形成,降低了结构的抗倒塌能力;在人字形中心支撑钢框架结构体系的设计与分析中,宜考虑长耗能梁-偏心支撑机制,否则将低估结构的抗倒塌性能。

耗能梁配置方案对高强钢框架地震反应的影响

为了研究基于耗能梁削弱的结构配置方案对配置耗能梁的高强钢框架结构的抗震性能和损伤控制效应的影响,建立并验证了配置耗能梁的高强钢框架结构的"塑性铰-梁单元"数值模型,通过配置不同削弱等级的耗能梁设计得到了具有不同屈服时序系数的3层及9层算例结构,并进行非线性静力分析和地震时程分析。研究结果表明,耗能梁削弱能够有效增大屈服时序系数,其对结构的峰值变形影响相对有限,而对震后残余变形影响显著。耗能梁的适度削弱将降低主体结构的塑性发展程度,但过度削弱将加剧耗能梁的损伤发展以至于主体结构的塑性发展程度转而增长。最后,提出了耗能梁削弱收益-损失评估的多性能指标,并对3层及9层算例结构的耗能梁削弱等级提出了建议。

弯曲屈服型耗能梁K形偏心支撑结构抗震性能研究

基于削弱耗能梁翼缘截面尺寸的原理,提出了一种弯曲屈服型耗能梁偏心支撑钢框架构造(简写为M2)。为验证其抗震性能并与传统的弯曲屈服型耗能梁K形偏心支撑钢框架(框架梁与耗能梁等截面,简写为M1)对比,完成了2个1∶2.6缩尺的单层、单榀、单跨模型的拟静力试验及数值模拟。结果表明,两个模型的塑性变形基本集中于耗能梁段上,试验结束时两个模型的承载力均未出现下降。M2模型的承载力、初始刚度、耗散能量均略低于M1模型,但是耗能梁段的转动能力、结构的整体延性等两者基本一致,M2模型的用钢量较M1模型减少9%。总体上,M2模型在与M1模型抗震性能相差不多的前提下提高了经济性,实际工程中建议采用。数值模拟结果与试验结果整体上吻合较好,证明了可以采用数值方法开展偏心支撑钢框架结构抗震性能的研究。

K形可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究

为研究K形偏心支撑半刚性连接钢框架的抗震性能,采用较低屈服点的可替换耗能梁段作为耗能单元,对一个单层单跨平面内钢框架模型进行低周循环加载试验。通过试验分析了框架的变形特性、塑性发展情况及破坏模式,分析了框架的强度、刚度、滞回性能、耗能特性。在连接节点处的高强螺栓上粘贴应变片,并观察高强螺栓的应变发展情况。试验结果表明:破坏主要发生在耗能梁处且耗能梁先于框架屈服并消耗能量;梁柱节点处在加载过程中始终没有屈曲破坏;由于框架梁和耗能梁在加载过程中的相互错动,造成滞回曲线出现捏缩效果,高强螺栓出现松动。

震后替换耗能梁段对偏心支撑钢框架的抗震性能影响

螺栓连接偏心支撑钢框架可以实现工厂预制并现场安装的施工模式,与传统焊接偏心支撑相比,其震后替换耗能梁段更方便快捷。为了研究震后替换耗能梁段对偏心支撑钢框架抗震性能的影响,先对一个螺栓连接偏心支撑钢框架进行拟静力循环加载,在第一次试验的基础上,保持其他构件不变,仅替换损坏的耗能梁段进行再次试验,并从滞回曲线、承载力、延性、耗能等方面分析了两次试验的抗震性能差异。研究结果表明:震后替换耗能梁段的模型的承载力、延性系数和耗能梁段转动能力与原模型相比并无明显差别,其耗能能力下降明显。由于螺栓滑移的影响,两次试验的滞回曲线均呈“梭”形。

耗能梁段腹板开孔对偏心支撑钢框架抗震性能影响

对一个单层单跨装配式偏心支撑钢框架进行拟静力循环加载试验,并利用ABAQUS软件对试验结果进行非线性数值模拟。在模拟结果正确的基础上建立了5个有限元模型,从承载能力、刚度退化、耗能能力等方面分析耗能梁段腹板开孔率对装配式偏心支撑钢框架力学性能的影响。结果表明:在单调荷载作用下,耗能梁段腹板开孔率对装配式偏心支撑钢框架承载力影响较大,随着耗能梁段腹板开孔率的增加,模型的屈服承载力和极限承载力逐渐降低;在循环荷载作用下,模型的初始刚度随着耗能梁段腹板开孔率的增加逐渐降低;模型的耗能能力受开孔率的影响不大,除了BASE模型以外,其余模型耗能系数均在1.55左右;适当的开孔率可以提高模型的延性系数,但是过大的开孔率会使构件过早破坏从而导致延性系数降低。

剪切屈服型可更换耗能梁的抗震性能研究

针对传统结构震后修复能力不足,带可更换构件的混合框架结构体系在地震作用下,可更换耗能构件集中损伤和耗散地震能量,保护其他构件不损伤或轻微损伤,更换损伤的耗能构件,即可实现结构预定功能震后可恢复。通过3个可更换耗能梁试件,研究其抗震性能。在此基础上,通过SAP2000有限元建模,对带可更换构件的混合框架结构进行非线性分析,研究整体结构体系的屈服机制、承载力和可更换耗能构件的可更换性能。结果表明:试件均发生剪切屈服型破坏,破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂。各试件的滞回曲线非常饱满,具有优异的承载能力、变形能力和耗能能力;在地震作用下,带可更换构件的混合框架结构体系中各构件能够实现良好的有序屈服机制,可更换耗能构件具有较好的可更换性。

偏心支撑钢筋砼框架耗能梁的有限元分析

在钢筋砼杠架结构中加入偏心支撑，提高了结构的抗侧刚度，改善了结构的承载能力和耗能能力。对偏心支撑钢筋砼框架结构的耗能梁进行了弹塑性静力分析，提出了它由延性破坏到脆性破坏的分界线；得出了它在弹性阶段及弹塑性阶段的内力分布情况；并采用砼劈裂强度计算模型，推导了它的抗剪强度计算公式，计算结果与实际破坏情况符合较好。

带可更换耗能梁的结构体系研究进展

可更换耗能梁作为一种新型的功能可恢复结构已经逐渐成为当前学者研究的热点。为了研究可更换耗能梁的发展前景,对剪力墙结构、框架结构、框架-支撑结构体系中的可更换耗能梁进行了论述,总结了国内外学者对于可更换耗能梁的设计方法。通过分析不同体系下可更换耗能梁的抗震性能,结果表明:可更换耗能梁设计简单、更换方便、传力明确。带可更换耗能梁的结构具有较好的抗震性能和可更换性能,耗能和损伤能够集中在可更换耗能梁部分,震后通过更换可更换耗能梁即可快速恢复结构的使用功能。可为今后功能可恢复结构的研究提供理论基础。

带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构抗震性能评估

带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构通过在耗能梁两端增设竖向连杆,以改善传统偏心支撑钢框架结构中耗能梁非弹性变形不均匀的问题。本文分别根据考虑高阶振型影响的设计方法和原有设计方法,设计了带竖向连杆的偏心支撑钢框架算例,并增加传统K形偏心支撑钢框架结构对比算例,通过增量动力分析和易损性分析,从结构的破坏状态概率、易损性指数和抗倒塌储备系数三个方面对比结构的抗震性能。结果表明,3种结构均可满足我国抗震规范中“小震不坏”“中震可修”和“大震不倒”的抗震设计要求。由于竖向连杆的变形调节作用,带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构出现软弱层的概率更低,其发生较重程度损伤的概率也更低,具有更好的抗倒塌性能。在地震动强度较大时,考虑高阶振型影响的设计方法设计的带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构整体参与耗能,各层耗能梁塑性发展更加均匀,抗震性能更好。

偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究

钢结构偏心支撑体系在国外已被广泛应用于多层钢框架中，而我国8～12层钢结构框架仍以混合型体系为主。为了推广这种体系，详细介绍了耗能梁的分类、耗能梁对偏心支撑结构的作用、多层钢框架中弯曲型耗能梁——偏心支撑钢结构体系在弹性阶段对侧移的控制及设计。分析表明，这种新型体系受力性能合理、弹性刚度好、经济性能高，适用于在多层钢框架中应用。