装配式自复位耗能支撑恢复力模型与试验验证

提出一种装配式自复位耗能(ASCED)支撑,该支撑主要由核心杆、外管、摩擦耗能系统和碟簧复位系统组成。对ASCED支撑在低周往复荷载作用下的工作原理及力学性能进行了介绍,基于经典的Bouc-Wen模型建立了ASCED支撑的恢复力模型。设计并加工了一长为1.2m的ASCED支撑试件,对其进行了拟静力试验,研究了支撑滞回特性、耗能能力、残余变形等性能。结果表明在低周往复荷载下支撑的摩擦耗能系统与碟簧复位系统能有效的共同工作,呈现出饱满的旗形滞回曲线,具有稳定的耗能能力和良好的自复位性能。恢复力模型计算得到的支撑滞回曲线与试验结果吻合较好,残余变形接近,表明所建立的恢复力模型能够准确描述ASCED支撑在低周往复荷载下的滞回特性及自复位性能。

自复位支撑钢框架摩擦装配式节点性能研究

自复位支撑在激活后具有较大的刚度和承载力,支撑连接节点及梁柱受力复杂,损伤风险高。提出了一种基于摩擦连接的自复位支撑钢框架装配式节点,利用摩擦滑移连接实现自复位支撑极限轴力可控,并为整体结构提供附加耗能。阐述了该摩擦装配式节点的构造、组装和工作原理,通过数值模拟对其抗震性能进行研究,并分析了该节点设计参数对其性能的影响。结果表明:采用该节点的自复位支撑钢框架滞回响应更为饱满,整体结构耗能能力提升了20.81%,节点对总水平剪力的实际限制作用达17.56%,有效减缓了节点区塑性发展。通过改变支撑连接节点的摩擦片摩擦系数和高强螺栓预紧力,能够实现起滑位移与起滑力可调。

装配式腹板开孔耗能支撑框架结构的抗震性能研究

装配式腹板开孔耗能支撑是由螺栓将传力槽钢与腹板开孔耗能工字形钢连接组合而成,耗能板件在震后易于替换。将其替换中心支撑框架结构中的支撑斜杆,可有效避免支撑斜杆失稳,使结构具有较好的耗能性能。采用ABAQUS软件,对其建立有限元模型,分析了不同参数对滞回性能、结构刚度和承载力的影响。有限元分析结果表明:装配式腹板开孔耗能支撑框架结构主要通过耗能板的孔间板件进入塑性耗能,应力多数集中在孔间板件的两端;随着加载等级的提高,孔间短柱的塑性累积逐渐增加,并向中间部位拓展,结构整体滞回曲线饱满,耗能能力较好;耗能板件的厚度越大,其承载能力和初始刚度越大,变形有所下降;改变耗能板件的宽度对板件开孔形式为椭圆孔的影响较大;孔间板件的宽度越大,其承载力和耗能能力越大。

新型装配式自复位RC剪力墙设计与性能研究

为满足结构施工效率高、震后功能可恢复的多重目标,提出了一种新型装配式自复位RC剪力墙。该新型剪力墙主要包含RC墙板、碟簧复位装置和摩擦耗能装置,三者仅通过高强螺栓组装而成,施工方便且效率高;在地震作用下,主要由碟簧复位装置和摩擦耗能装置提供抵抗弯矩和恢复力,能减小整体剪力墙构件的震后残余变形和损伤,有效提高其震后功能可恢复性。该文分析了新型装配式自复位RC剪力墙的截面受力形式,提出了其截面承载力计算公式;设计了一新型装配式自复位RC剪力墙构件进行数值模拟,获得了其滞回性能,对比分析了其与普通剪力墙的承载力、耗能能力、自复位性能。结果表明:在相同位移角下,新型装配式自复位RC剪力墙的承载力小于普通剪力墙,但其极限承载力与普通剪力墙的峰值承载力相当,且其在超大震(2.0%位移角)下的残余位移角仅为0.31%,具有优异的自复位能力,能使结构在震后具有低损伤、功能可恢复的特点。增大碟簧复位装置的预压力,可有效提高新型剪力墙构件的承载力和累积耗能,但残余变形也相应增大。

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑的滞回性能

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑是由腹板开孔H型钢和传力槽钢通过螺栓连接组成的新型耗能支撑,能有效避免支撑构件失稳。为研究这种支撑的耗能能力及破坏机理,对试件进行低周往复加载试验及有限元模拟分析。结果表明:装配式H型钢腹板开孔耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,变形能力好。在轴向荷载作用下,试件主要依靠开孔腹板孔间短柱进入塑性耗能,在加载过程中,孔间短柱端部为薄弱部位,首先进入塑性,并最先发生断裂,随着加载的深入,孔间短柱中间部位进入塑性的面积越来越大。加载过程中,螺栓与槽钢始终处于弹性状态。试件最终因孔间短柱断裂导致破坏。H型钢耗能腹板长度相同时,腹板宽度越宽、孔间短柱高宽比越大,耗能支撑承载力与刚度越小、变形能力越好,孔间短柱高宽比在5~8之间较合理。建议长圆孔端部圆弧到螺栓孔中心最短距离控制在1.2d0~1.5d0之间。改变长圆孔圆弧半径对支撑的力学性能影响很小。H型钢腹板宽度相同时,腹板长度越大,承载力与刚度越大。给出了装配式H型钢腹板开孔耗能支撑的设计方法与极限承载力公式。

自复位支撑钢框架抗震性能评估与损伤演化分析

为研究自复位耗能(SCED)支撑失效前后支撑钢框架结构的抗震韧性及损伤演化规律,设计了一单榀三层自复位支撑钢框架(SCBSF)并对其进行精细化有限元模拟,探究了支撑第二刚度和摩擦力在考虑支撑失效时对结构宏观响应和关键构件损伤状态的影响规律。结果表明,在地震作用下,SCED支撑作为SCBSF第一道抗震防线,激活工作后为结构提供了稳定的耗能与卓越的复位能力,相比屈曲约束支撑(BRB)框架残余变形角最大减小了84.9%,显著降低结构震后修复成本;支撑达到最大行程破坏失效后,结构层间变形加剧,框架梁和柱塑性耗能占比增加了92.33%,主体结构损伤值增加了48.45%,结构的抗震性能与韧性水平明显降低。参数分析结果表明,提升支撑的第二刚度和摩擦力能有效降低结构响应,但具有较大第二刚度和摩擦力的支撑框架仍抵抗不了强震作用时,可能导致更多的支撑失效破坏,结构损伤加剧。因此,设计SCED支撑时,需要适当提高支撑第二刚度和摩擦力,建议第二刚度取值为第一刚度的7/50~4/25,支撑摩擦力与预压力比值取为1~1.2;提升支撑第二刚度相比提升摩擦力对结构损伤值控制效果更好,随着地震动强度增大,摩擦力与第二刚度对结构抗震性能的影响逐渐减小。

新型部分自复位耗能段的滞回性能与简化力学模型研究

提出一种用于偏心支撑结构中的部分自复位耗能段,主要包括自复位形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)支撑和扩孔螺栓连接型耗能段,具有耗能能力和自复位能力强、构件损伤小、震后功能可恢复等特点。基于部分自复位耗能段的设计方法,合理设计其试验模型,由此得到变形模式和滞回曲线等。随后采用校正的有限元法对部分自复位耗能段力学性能进行研究,主要考虑SMA面积、高强螺栓预拉力和垫片滑移系数的影响。研究结果表明:滑移阶段自复位耗能段中耗能段处于滑移并保持相对静止状态;随后非滑移阶段耗能段开始承载、耗能和非弹性变形等,整个过程中自复位SMA支撑提供耗能和复位能力,以及减小构件残余变形。基于不同因素下的分析结果,提出滑移阶段和非滑移阶段下自复位耗能段简化的力学模型,为偏心支撑结构的抗震设计与分析提供新的思路和理论基础。

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%。

BRB支撑在装配式不规则框架中的耗能减震研究

装配式框架结构是一种节能、环保、高效的结构类型,目前国家大力推广装配式结构,而装配式结构特别是不规则结构在地震作用下的安全问题,更应该引起重视。研究将防屈曲耗能支撑(BRB)应用于装配式不规则框架结构中,形成支撑耗能减震体系。通过某不规则钢框架实例分析得出防屈曲耗能支撑具有很好地耗能减震及控制不规则结构扭转效应的性能,研究成果对促进装配式框架结构可持续发展具有重要意义。

装配式工字钢腹板开孔屈服耗能支撑滞回性能分析

中心支撑抗侧刚度大,但在设防地震作用下支撑杆容易失稳,为了避免支撑杆失稳,并解决耗能支撑震后不易修复的问题,提出了一种装配式工字钢腹板开孔屈服耗能支撑。采用ABAQUS有限元软件分析了设计参数对其滞回性能、刚度和承载力的影响,提出了刚度和屈服承力的计算公式,并给出了装配式工字钢腹板开孔耗能支撑的设计方法。分析结果表明:装配式工字钢腹板开孔屈服耗能支撑主要依靠开孔腹板屈服耗能,有效避免了支撑杆发生整体失稳,具有良好的滞回性能;有限元分析过程中,连接螺栓始终保持弹性,连接可靠;开孔腹板长度、厚度及开孔间距的增加将提高耗能支撑的承载能力和初始刚度;给出的装配式工字钢腹板开孔屈服耗能支撑设计方法可为工程应用提供参考。

方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑滞回性能分析

方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑由传力支撑及端部金属阻尼器通过高强螺栓连接构成,金属阻尼器由方钢及内填剪切板组成,利用内填剪切板和方钢分级屈服进入塑性耗能,可有效提高支撑的耗能能力,避免支撑斜杆失稳。阐述了其构造形式和工作机理,利用有限元软件ABAQUS对其进行了模拟分析,研究了不同设计参数对其滞回性能的影响。研究结果表明:方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑的滞回曲线饱满,耗能能力和承载能力优越,变形能力强;剪切板布置形式、耗能部分宽度和剪切板厚度对支撑耗能性能影响较大;方钢与剪切板四周均连接的满布方式,耗能效率高,支撑承载能力和耗能能力较好;耗能部分宽度越窄,剪切板越厚,支撑的承载能力越高,初始刚度越大,变形能力相对差。最后给出了方钢剪切板分级屈服装配式耗能支撑的初始刚度和屈服承载力计算公式,计算结果与有限元模拟分析结果吻合较好。

槽钢腹板开长圆孔装配式耗能支撑的滞回性能分析

槽钢腹板开长圆孔装配式耗能支撑是在中心支撑斜杆两端设置腹板开孔槽钢组成,在轴力作用下可避免传统中心支撑斜杆受压失稳。采用ABAQUS有限元软件建立了槽钢腹板开长圆孔装配式耗能支撑有限元分析模型,分析了槽钢开孔腹板设计参数变化对耗能支撑滞回性能的影响。有限元分析结果表明:槽钢腹板开长圆孔装配式耗能支撑主要依靠端部槽钢开孔腹板的孔间板件弯曲屈服耗能,滞回曲线饱满,耗能能力优良。开孔腹板长度与开孔腹板厚度是影响支撑承载能力与刚度的重要因素,端部腹板开孔槽钢的厚度越厚,长度越长,耗能支撑的承载能力和刚度越大;螺栓间距增大,螺栓个数减少将会导致槽钢腹板开长圆孔装配式耗能支撑产生滑移,单个螺栓受力增大,刚度和承载力无明显影响,耗能能力略微降低;与标准孔相比,H型钢腹板或槽钢腹板螺栓孔为长圆孔时,能够提高支撑的耗能能力。

主余震下自复位支撑RC框架结构性能研究

基于地震动峰值和频谱,提出了一种适用于地震工程领域、流程简单的主余震序列构造方法,构造出7条主余震序列地震动。对一12层的预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑RC框架结构在主余震下的抗震性能进行分析,并与防屈曲支撑(BRB)结构进行对比。结果表明:两种支撑都具有稳定的滞回性能,且滞回环饱满;PS-SCED支撑还具备良好的自复位特性,PS-SCED支撑结构最大残余位移角比BRB结构减小74.7%;在主余震序列作用下,PS-SCED支撑结构的顶层残余位移角和结构耗能比仅主震作用下的值增大,最大增幅为35.3%和19.6%。余震会使结构的耗能和损伤增加,PS-SCED支撑能够显著提高RC框架结构的抗震性能。

自复位摩擦耗能支撑的套管长度误差对多层结构地震响应的影响

试验表明,由于自复位摩擦耗能支撑(SCED)内外管的长度误差,会导致支撑初始刚度的试验结果小于理论值,由此可能会对采用SCED的支撑框架地震响应产生一定影响。基于SCED的构造和工作原理,讨论内外管长度误差对支撑初始刚度的影响,并得到SCED初始刚度的折减范围是(50%~100%)理论值。然后以此为依据,分别建立支撑初始刚度为50%、75%和100%的3层和9层的SCED钢框架,同时选取22条地震波以用于模型的非线性时程分析,结果表明:支撑初始刚度的折减对9层SCED框架最大层间位移角的影响要小于3层SCED框架;结构的最大层间位移角会随支撑初始刚度的折减而增加,但不会影响结构的自复位能力;支撑初始刚度的折减会减小9层SCED框架的层加速度,但对3层SCED框架却没有显著的影响。

一种新型自复位耗能拉索支撑的理论研究与数值分析

传统的支撑框架体系通过材料的塑性屈服耗散地震能量,在震后往往产生较大的残余变形,不仅修复代价高昂,更会严重危害结构的使用安全。提出了一种新型支撑形式——自复位耗能拉索支撑,可在特定的地震水准下降低刚度,耗散地震能量,同时利用复位筋提供的恢复力消除支撑残余变形。对其构造和工作原理进行了详细的说明,建立了力学分析模型,理论推导了在单调荷载和往复荷载作用下的荷载-位移关系,提出了控制参数的计算方法。建立了ABAQUS有限元模型,通过与理论分析结果对比验证了支撑的工作性能。研究结果表明在楼层层间位移角达到2%时,支撑仍然具有完全的自复位能力。提出的力学模型和数值模型可为此类支撑的设计提供理论基础。

自复位变阻尼耗能支撑的力学原理与性能研究

为解决现有自复位支撑起滑力大的问题,提出了一种新型自复位变阻尼耗能支撑。支撑采用组合碟簧提供复位能力,通过构造设计实现磁流变液变阻尼耗能。对其变阻尼特性进行了分析,建立了描述其滞回特性的恢复力模型,提出了基于性能需求的支撑设计边界条件。对支撑整体和阻尼耗能装置磁场进行了模拟,结果表明,支撑具有饱满的类旗型滞回曲线,起滑力小、无残余变形、拉压对称,能够兼顾不同振动强度下的性能需求,有效控制结构振动响应。分析了支撑设计参数对滞回性能的影响,为提高复位与耗能能力,设计时组合碟簧预压力应略大于初始阻尼力,同时应增大组合碟簧刚度、提高最大阻尼力、减小变阻尼区间。与现有自复位支撑相比,起滑力大幅降低、起滑刚度比增加,在相同自复位装置设计下等效粘滞阻尼比与最大承载力也有较大提高。

具有复位功能的阻尼耗能支撑设计与滞回性能研究

为控制结构侧向变形和震后残余变形,提出一种具有复位功能的阻尼耗能支撑,该支撑采用组合碟簧提供复位力,永久磁铁产生恒定磁场,利用磁流变液的流变性能耗散地震输入能量.在复位系统和耗能系统滞回模型基础上,建立了描述支撑滞回特性的恢复力模型,并对其磁路及滞回性能进行了模拟分析.结果表明,新型阻尼耗能支撑具有稳定饱满的旗形滞回特性,复位性能良好,可提供必要的抗侧刚度和复位力以减小结构层间位移及震后残余变形,其耗能能力随着加载速率增大而增强,所建立的恢复力模型可以精确描述支撑的滞回特性.

采用碳纤维包裹约束的装配式防屈曲支撑试验

为方便装配式防屈曲支撑拆解修复和提高抗腐蚀能力,提出了采用碳纤维包裹约束的新型装配式防屈曲支撑.一方面,通过剖开纤维材料分离外包约束构件来替换受损内核单元可实现构件震后的快速修复,另一方面,碳纤维布作为外包材料解决了外包钢管耐腐蚀性差的问题.通过4个新型防屈曲支撑构件在往复荷载作用下的拟静力试验,研究了防屈曲支撑在不同加载制度下,不同约束比下的性能.试验结果表明:在循环变形过程中试件基本没有发生刚度与强度的退化,且延性与耗能能力都很好.碳纤维布成功地起到连接装配式防屈曲支撑两部分外包约束单元的作用,并可有效抵抗来自内核单元施加的侧向推力.采用碳纤维包裹约束的新型防屈曲支撑受压时,内核单元会产生多波屈曲现象,使得约束单元中的包裹材料发生变形,最终使得构件的滞回曲线表现为力的"跳动",多波屈曲现象更为显著试件的滞回耗能能力略差.新型装配式防屈曲支撑具有良好的滞回性能,为防屈曲支撑实现可装配式提供了新途径.

自复位U形钢板耗能支撑设计与滞回性能分析

为控制地震作用下结构的残余变形,提出了一种自复位U形钢板耗能支撑,采用组合碟簧作为复位系统提供复位能力,将U形钢板作为耗能系统提供耗能能力.在耗能系统和复位系统的双线性弹性模型基础上,建立了支撑恢复力模型,并对支撑进行数值模拟,分析不同设计参数对支撑滞回性能的影响.结果表明,自复位U形钢板耗能支撑具有稳定的耗能能力和良好的自复位能力,且耗能能力随U形钢板宽度的增加而增强,复位能力随组合碟簧初始预压力的增大而增强,建议将组合碟簧的预压力取值为大于耗能系统的屈服强度且小于耗能系统的极限强度.

新型装配式屈曲约束支撑试验研究

为了克服普通灌浆型屈曲约束支撑加工周期较长、钢结构加工和填充料加工交叉作业等缺点,提出了一种新型装配式屈曲约束支撑;该支撑采用填充料分段预制,然后与支撑芯板及外套筒组合拼装的加工方式,使得钢结构部分和灌浆料部分同时进行加工,简化了支撑加工工序,缩短了加工周期,降低了支撑制造过程中的人工费用。并对该新型屈曲约束支撑进行了往复加载试验,对试验数据进行分析处理。结果表明:此新型装配式屈曲约束支撑具有很好的滞回特征和耗能性能,各项指标均符合《建筑抗震设计规范》对位移相关型消能器的性能指标要求,是一种十分有效的耗能构件。