改进的三线性自复位防屈曲支撑结构非线性位移比

自复位防屈曲支撑框架结构(SCBRBF)兼具耗能和自复位能力,日渐受到国内外学者的关注。不同于以往广泛采用的双线性模型,它具有独特的三线性恢复力模型。前期研究提出了考虑三线性恢复力模型的等强度位移比(C_R)计算公式(即C_R-R-T关系),但在周期为0.3s左右误差较大。针对此,该文将给出三种改进的公式。以回归时采用的数据(精确解)和另一组地震动的C_R平均值作为两组基准,比较了3种改进公式的效果,并分析了不同参数组合对C_R误差值的影响。另外,若采用基于双线性恢复力模型提出的C_R公式评估SCBRBF的反应,需要将SCBRBF的三线性恢复力模型简化为双线性模型(采用等屈服力和屈服位移的等效原则)。此前采用等屈服力和屈服位移的等效原则,发现双线性公式用于计算SCBRBF时误差较大。为排除不同等效原则在双线性模型计算SCBRBF时误差的影响,该文采用另一种也较为合理的双线性等效原则对其进行评估。发现即使采用不同的等效原则,双线性位移比公式用于SCBRBF仍然会造成较大误差。

组合碟簧自复位防屈曲支撑滞回性能试验

为控制防屈曲支撑(BRB)的残余变形,采用碟簧自复位系统(DS)和BRB并联形成自复位防屈曲支撑(SBRB)。通过拟静力试验考察组合碟簧刚度、端部连接、复位比率等对SBRB滞回性能的影响。结果表明:与BRB相比,SBRB的残余变形大幅降低;SBRB表现出旗型的滞回曲线,试验后期钢板支撑受拉断裂,其他部件保持完好;SBRB试件中DS部分和BRB部分分别是承载力和累积耗能的主要来源;由于组合碟簧间的摩擦等作用,DS部分的耗能占整个SBRB耗能的23%~36%;其他构造相同时,采用组合碟簧刚度较大的DS部分启动后承载力增幅较多,且DS部分启动力较大的复位比率也较大,残余变形更小。总体上,端部连接形式对残余变形影响不大,刚接SBRB试件因承受额外的端部弯矩,钢板支撑断裂更早,铰接SBRB试件表现出更好的耗能能力。随复位比率增大,SBRB的残余变形逐渐减小,为有效地控制支撑残余变形,同时避免对DS部分要求过高,复位比率宜取0.7~0.9。

碟簧-钢绞线组合自复位防屈曲支撑滞回性能

为解决传统自复位防屈曲支撑变形能力不足的问题,提出一种碟簧-钢绞线组合自复位防屈曲支撑(Disc Spring-Steel Tendon Self-centering Buckling-restrained Brace,DT-SCB).DT-SCB采用串联的钢绞线及碟簧组成的复位系统提供复位能力,通过两个并联的一字型内芯耗散地震能量.介绍了DT-SCB构造、各阶段工作机理及恢复力模型.建立有限元模型,研究复位比率αsc、钢绞线与碟簧组刚度比K1、复位元件与耗能系统刚度比K2等参数对支撑滞回性能、自复位效果及耗能能力的影响.研究结果表明:提出的DT-SCB恢复力模型与模拟结果吻合较好,所有DT-SCB支撑在最大加载位移(2.5%轴向应变)内未发生明显破坏,支撑滞回曲线呈旗帜型特征,且具有稳定的耗能能力.相比于传统基于钢绞线的自复位防屈曲支撑,DT-SCB具有更强的变形能力.DT-SCB最大残余变形随复位比率αsc提高显著减小,而刚度比K1的增加会削弱复位比率对支撑残余变形的控制效果.钢绞线与碟簧组刚度比过大(K1≥2.0)会导致碟簧组提前被压平,进而降低支撑的变形能力.DT-SCB耗能能力受刚度比K2影响较大,其等效黏滞阻尼比随刚度比K2的增大而降低.罕遇地震下支撑-框架结构非线性时程分析结果表明,DT-SCB可以有效减少结构的最大层间位移角及残余层间位移角,提高结构抗震性能.

碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑力学性能分析与数值模拟

介绍了碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑及其受力特性,通过有限元软件Abaqus建立数值模型,研究支撑滞回性能、自复位特性以及耗能能力。研究结果表明:碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑具有较好的滞回性能、耗能能力及自复位特性,该支撑的自复位性能随着复位比及刚度比的增加而提高,耗能能力随复位比及刚度比的增加而减少。

基于ABAQUS对自复位防屈曲支撑简化模型的验证与参数分析

防屈曲支撑在大震下不易屈曲且耗能能力优秀,现广泛用于高烈度地区结构。但其耗能机制导致支撑震后残余变形过大,不利于震后修复工作的开展。故对防屈曲支撑增设自复位系统,以大幅度降低其残余变形。但是,自复位防屈曲支撑独特的“旗形”滞回模型导致其模型复杂且计算量过大,不便应用于实际工程中。针对以上问题,首先通过杆单元和非线性弹簧叠加建立了自复位防屈曲支撑简化模型并验证了该简化模型的可行性。在此基础上,通过参数分析得到了各类实际参数取值对自复位防屈曲支撑承载力、自复位能力的影响效果。

碟簧-钢绞线组合自复位防屈曲支撑滞回性能分析

防屈曲支撑因其良好的耗能能力而被广泛应用于支撑框架结构中,但其震后往往存在较大的残余变形,从而影响结构的可修复性。为减少装有防屈曲支撑结构的残余变形,在防屈曲支撑的基础上并联以组合碟簧和钢绞线为复位元件的自复位系统来为支撑提供恢复力,提出一种较为经济的新型自复位防屈曲支撑。介绍了新型自复位防屈曲支撑的构造及恢复力模型,通过数值模拟研究复位比率及内芯尺寸对滞回性能的影响。结果表明:当复位比率<1时,随着复位比率增大66.67%,支撑的残余变形减小1 505.86%,但其等效粘滞阻尼比降低19.21%;当复位比率相同时,随着内芯尺寸增大90%,支撑的总滞回能量增大538.09%。

位移放大型自复位防屈曲支撑滞回性能分析与数值模拟

提出一种位移放大型自复位防屈曲支撑,通过Abaqus有限元软件建立数值模型,研究支撑滞回性能、自复位特性以及耗能能力。结果表明:该位移放大型自复位防屈曲支撑具有较好的滞回性能、耗能能力及自复位特性。该支撑的承载力受自复位系统刚度影响较大,耗能能力受预拉力影响较小,当预拉力水平较低时,提高预拉力可以大幅提高支撑的复位性能。

自复位防屈曲支撑结构动力位移反应的关键参数

自复位防屈曲支撑特殊的恢复力模型使得安装有这种支撑的结构在地震作用下的反应与传统结构大不相同,因此开展此种结构抗震性能的研究十分必要。该文首先根据较高的性能目标提出一种简单且足够精确的自复位防屈曲支撑结构的恢复力模型;然后结合单自由度自复位防屈曲支撑体系的运动方程确定影响该种结构地震位移反应(即最大非线性位移及位移比谱)的所有独立参数;并证明了无刚度和无强度退化结构的非线性位移比与地震动的幅值无关。最后通过两个例子证明了该文的结论。

等效线性化方法在自复位防屈曲支撑结构中的应用

自复位防屈曲支撑(SCBRB)由复位系统和耗能内芯组成,由于其综合了自复位体系和防屈曲支撑的优点,经过合理设计可兼具良好的复位及耗能能力,因此更有利于实现可恢复的结构这一抗震目标。若主体结构保持弹性,则自复位防屈曲支撑框架(SCBRBF)的简化恢复力模型为双线性弹性+双线性弹塑性合成的三线性滞回模型。等效线性化方法的精度对于等效阻尼比和等效刚度的计算方式比较敏感,不同的恢复力模型以相同的等效线性化方法计算精度也不相同,因此应根据具体情况对结果进行修正,以提高计算精度和结构的安全性。首先,分别对两种等效线性化方法计算自复位防屈曲支撑结构地震位移的平均误差及变异系数展开了参数研究。结果表明:由于SCBRBF的非线性和塑性程度均低于理想弹塑性结构,因此与理想弹塑性结构相比,用两种等效线性化方法评估自复位结构地震位移反应时,尤其在周期大于0.3 s时,精度显著提高;等概率幅值平均等效线性化方法由于考虑了所有位移对等效阻尼比和等效刚度的贡献,因此比割线刚度法更为精确。其次,根据分析结果给出了不同等效线性化方法在计算SCBRBF时的修正系数。最后,根据阻尼比函数得到各个参数对阻尼比的影响规律,并给出最佳延性比。

自复位防屈曲支撑研究进展及展望

强震后工程结构可快速恢复是近年来工程抗震的研究热点。我国抗震设计采用“三阶段两水准”的设计方法,在此方法下防屈曲支撑遭受罕遇地震发生弹塑性变形,由钢材本构关系知防屈曲支撑塑性变形不能恢复,从而影响建筑结构的正常使用,并且维修成本十分昂贵。因此近年来国内外学者提出了自复位防屈曲支撑概念并展开研究。自复位防屈曲支撑抗震性能好,震后残余变形小,经济效益好。文章介绍了自复位防屈曲支撑组成及工作原理,按照复位材料分类介绍国内外自复位防屈曲支撑的研究现状,以及对现阶段自复位防屈曲支撑存在的问题进行总结。

内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑性能试验及其恢复力模型研究

为解决防屈曲支撑在大震作用下产生较大残余变形的问题,该文提出了一种内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑,阐述了该支撑的构造和工作原理。该新型支撑由防屈曲耗能系统和自复位系统并联组成,通过控制碟簧预压力和核心单元屈服承载力的组合,可得到工程结构控制所需的滞回特性曲线。在此基础上,设计制作了3个不同工况的内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑,开展拟静力试验,分析其破坏特征,探讨了其残余位移和滞回耗能等特性,并建立其力-位移滞回关系恢复力分析模型。试验结果表明:内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑不仅保留了防屈曲支撑稳定良好的耗能能力,而且能较好地控制残余变形,建立的恢复力分析模型与试验结果吻合较好,是一种有效地控制残余变形且性能稳定的结构减震元件。

全装配式自复位防屈曲支撑滞回模型及其性能试验研究

为减小防屈曲支撑的震后残余变形,降低结构的修复难度和成本,该文提出了一种采用组合碟簧实现复位的全装配式自复位防屈曲支撑,该新型支撑通过设置BRB系统承载力和SC系统预压力的比率,可有效控制滞回曲线的特性。文中阐述了该支撑的构造和工作原理,推导了循环加载下的理论滞回模型,并据此设计制作了3个不同组合的全装配式自复位防屈曲支撑,通过拟静力试验分析对比了残余变形和滞回耗能等特性,探讨了自复位效果和破坏模式。试验结果表明:新型全装配式自复位防屈曲支撑滞回曲线有明显的旗帜型特征,滞回性能稳定;组合碟簧自复位系统大幅减小了支撑的残余变形,复位效果明显;理论滞回模型与试验结果基本吻合,是一种十分有效的自复位减震阻尼器。

内嵌双阶段装配式防屈曲支撑的钢框架-支撑结构抗震性能评估

为研究新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲约束支撑对装配式钢框架-支撑结构抗震性能的影响,首先采用有限元软件Perform-3D建立了普通支撑、防屈曲支撑和新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲约束支撑的有限元模型,并验证了建模方式的准确性;之后在此基础上建立内嵌新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲支撑的钢框架-支撑结构有限元模型,并采用弹塑性时程分析方法对普通钢框架结构、钢框架-普通支撑结构、钢框架-防屈曲支撑结构、内嵌新型双屈服点装配式防屈曲支撑的钢框架-支撑结构的抗震性能展开研究。分析结果表明:Perform-3D能准确模拟普通钢支撑、普通防屈曲支撑及新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲支撑;内嵌新型双屈服点防屈曲支撑的钢框架-支撑结构在最大层间位移角和结构顶层位移、基底剪力上均优于其他结构,新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲约束支撑在地震作用下起到了重要的作用,它主要通过新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲约束支撑来耗能,这说明内嵌新型内芯可更换的双屈服点装配式防屈曲支撑的钢框架-支撑结构具有良好的抗震性能。

含自复位伸臂桁架的超高层结构地震响应研究

为了研究自复位防屈曲支撑(SCBRB)对超高层结构震时最大变形和震后残余变形的协同控制效果,本研究选取一栋75层、高度为344.85 m、伸臂桁架腹杆为防屈曲支撑(BRB)的超高层建筑作为原型结构,以此为基础设计了伸臂桁架的腹杆为SCBRB的案例结构。建立了2个超高层案例结构的弹塑性分析模型,并开展了非线性时程分析,对比了结构关键地震响应,验证了SCBRB对超高层结构震时最大变形和震后残余变形控制效果。结果表明:将框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力体系的超高层结构的伸臂桁架中的BRB腹杆替换为设计参数合理的SCBRB腹杆,结构最大层间位移角可满足规范要求。采用2种腹杆的结构层间位移角分布模式一致,且SCBRB腹杆的最大层间位移角控制效果略优于BRB腹杆。相比于BRB腹杆,SCBRB腹杆在地震作用下残余变形更小,具有更好的自复位能力。SCBRB腹杆可有效提升框架-核心筒-伸臂桁架混合抗侧力体系的超高层结构的自复位能力,控制结构震后残余变形。基于SCBRB可实现超高层结构震时最大变形和震后残余变形的协同控制,本研究的相关成果可为超高层建筑的设计和相关研究提供参考。

支撑自复位能力对框架节点受力性能的影响

自复位防屈曲支撑是一种新型耗能装置,可以有效减小结构的残余变形。通过研究支撑复位系统影响因素,确定复位参数,建立支撑框架节点有限元模型,分析支撑复位程度对支撑、节点板和梁柱受力性能的影响规律,获得支撑框架节点的作用机制。结果表明,支撑复位率为0≤α≤1.0时,结构最大层间位移角由1/60逐渐减小至1/2413,支撑的复位能力明显增大;梁柱节点处塑性损伤最大提高了20.06%;节点板应力变化显著,其应力先迅速增长8.12%,后又缓慢提高4.02%,总体呈上升趋势。

某大型商业综合体结构超限分析

某大型商业综合体高度为27.450m,对于这座高层建筑,我们选择了框架-BRB的结构。该项目包含了扭曲、凹陷、楼板的不连贯性、尺度的剧烈改动、零部件的中断、局部的非标准形状以及抗扭刚度较低的7个特点,因此被归类为非标准的超高层建筑。为了增强其结构的刚度,我们在楼梯间和其他区域安装了层间梁和屈曲约束支撑(BRB),希望本文的研究成果能为读者提供一定的参考价值。

设置多级屈服耗能BRB的桥梁排架墩等能量设计方法

传统防屈曲支撑(BRB)被广泛用于桥梁排架墩的减震控制,但其屈服后刚度较低和变形能力较小,难以有效控制强震下的峰值位移和残余位移。为此,将传统单一材料组成的BRB核心变形段替换为两种具有不同屈服点的材料,使其整体力学特性呈分级屈服的多线性,形成多级屈服耗能的防屈曲支撑(MSBRB)。将MSBRB作为保险丝构件应用于排架墩以提升其抗震性能,采用等能量的设计方法,以设置MSBRB排架墩体系的能力曲线为设计目标,考虑体系在逐渐增强的地震动荷载作用下的塑性发展机制和能力曲线特征,在中国公路抗震设计规范基础上发展了三阶段的抗震设计流程。最后,结合一排架墩设计案例并通过非线性时程分析证明了所提出设计方法的可行性和准确性。结果表明:设计方法可以较好地预测不同地震水平下MSBRB排架墩体系的性能状态,设计值与模拟值最大误差不超过6%,能达到不同地震水平的设计目标;设置MSBRB能显著降低排架墩的墩顶位移,E2地震作用水平下可使排架墩保持弹性状态,在更强的地震水平下也可有效降低排架墩的损伤,说明MSBRB可更为高效地提升排架墩抗震性能,实现排架墩的损伤控制。

自复位防屈曲支撑钢框架减振效果分析

自复位防屈曲支撑构件在拟静力试验中表现出良好的复位性能及耗能能力。但是,自复位防屈曲支撑钢框架中支撑与主体结构的刚度关系,以及结构中的复位系统与耗能系统的关系如何合理设置,都需要借助结构试验或参数分析来解决。根据我国现行规范设计了钢框架结构,在构件试验研究及理论分析基础上给出了自复位防屈曲支撑钢框架结构的三线性恢复力模型,并用有限元软件ANSYS建立结构模型。根据此模型对防屈曲支撑钢框架和自复位防屈曲支撑钢框架结构进行了抗震性能对比。通过自复位防屈曲支撑动力位移反应分析,研究了支撑与结构刚度比αB/M,结构耗能系统与复位系统的屈服力比β及其刚度比αc三个重要参数。结果表明：自复位防屈曲支撑钢框架结构最大位移及残余位移角均小于防屈曲支撑钢框架结构的。结构刚度比αB/M越大越有利于减少残余变形;屈服力比β越大结构位移响应越小;刚度比αc越大结构位移响应越小。在初始设计时,建议钢框架结构的αB/M取为3;β取0.5～0.9;αc取为0.5。

湖北省科技馆混合减震巨型结构动力弹塑性时程分析

湖北省科技馆采用巨型钢框架-支撑结构体系,存在尺寸突变、扭转不规则、楼板不连续等不规则项,属于超限结构。为改善结构抗震性能,采取混合减震措施,在结构内布置屈曲约束支撑和防屈曲耗能钢板墙2种消能减震器。采用ABAQUS软件对结构进行施工模拟分析及动力弹塑性时程分析,研究罕遇地震作用下屈曲约束支撑和防屈曲耗能钢板墙混合减震效果,并给出定量评估,包括结构位移响应、构件损伤、能量耗散分布等。分析结果表明:2种消能减震器布置于结构薄弱位置,在提供结构刚度的同时,罕遇地震作用下作为结构第一道抗震防线,防屈曲耗能钢板墙产生良好的屈服塑性变形,屈曲约束支撑滞回耗能显著,有效保护了主体结构。

消能减震技术在装配式钢-混组合主次结构中的应用

为研究消能减震技术对装配式钢-混组合主次结构抗震性能的影响,以深圳长圳公共住房及附属工程项目6号楼为依托,采用佳构STRAT有限元软件分析屈曲约束支撑(BRB)和防屈曲钢板剪力墙(BRW)布置在主结构不同高度楼层位置对整体结构的抗震性能影响。结果表明:消能减震构件可大幅提高结构耗能能力,降低结构构件损伤;BRB和BRW设置于结构的中高楼层部位的减震效果优于设置于结构低层位置,在中部楼层和高位楼层同时设置效果更优。