钢管混凝土防屈曲支撑在框架结构中的研究综述

随着框架结构体系广泛应用,对钢管混凝土的防屈曲支撑的不断研究表明,防屈曲支撑既能在风荷载作用下为结构体系提供抗侧移刚度,又能在发生地震时起到控制振动的作用.本文主要对防屈曲支撑的研究成果进行总结分析,以推动理论系统研究及使用技术的发展.

三重钢管防屈曲支撑滞回性能影响因素分析

为给三重钢管防屈曲支撑及此类自复位防屈曲支撑的设计提供一定的设计依据,文章采用ABAQUS软件建立了三重钢管防屈曲支撑的有限元模型,并验证了建模方法的正确性,在此基础上研究了该类防屈曲支撑的受力机理,并分析了约束比、长细比、核芯管的径厚比和间隙等参数对其承载力和滞回耗能性能的影响。研究结果表明,约束比对三重钢管防屈曲支撑的稳定性能影响较大,约束比不应小于1.58;核芯管的径厚比不大于22时,该类防屈曲支撑的滞回耗能能力较好;长细比对该类防屈曲支撑的刚度和稳定性能影响较大;建议其间隙取值为1 mm~2 mm。

钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构概率地震易损性评估研究

为了研究钢管混凝土(CFST)框架-屈曲约束支撑(BRB)结构的抗震性能以及地震动持时对结构概率地震易损性的影响,基于能量平衡的塑性设计方法,设计了9层框架支撑结构.选取其中一榀单层单跨的框架支撑试件进行了低周循环加载试验和数值分析.采用OpenSees程序建立了9层典型三跨子结构的弹塑性分析模型;通过增量动力分析法得到了结构在不同工程需求参数和地震动强度参数下的易损性曲线,分析了地震动持时对结构抗震性能的影响.研究结果表明:试件的水平荷载-位移滞回曲线饱满,耗能稳定;结构90%的塑性变形耗能集中于屈曲约束支撑;整体损伤因子(ODI)可以较好地反映地震动持时对框架支撑结构累积损伤的影响;长持时地震动下结构的倒塌中位值比短持时的低24%.以ODI为工程需求参数时,考虑地震动谱加速度和重要持时的地震动强度综合指标INP-D表现出更优的实用性、有效性、充分性和调幅鲁棒性.对于I_(NP-D),罕遇地震水平下,长持时地震动下的ODI超越0.2和0.4限值的概率分别是短持时的1.74和5.0倍,因此建议钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构的抗震设计和分析应关注地震动持时对结构累积损伤的影响.

风与地震耦合作用下钢管混凝土框架-防屈曲支撑结构体系易损性研究

工程结构在其全寿命服役期间会不可避免地遭受风或地震等多种灾害的作用。以钢管混凝土框架-防屈曲支撑结构体系为研究对象,模拟了重现期分别为1年、10年和50年的结构不同高度处的风速时程,基于OpenSees有限元软件对结构开展了地震单独作用和重现期分别为1年、10年和50年的风与地震耦合作用4种工况下的非线性动力时程分析,并基于地震需求分析方法生成了结构在不同工况下的易损性曲线。结果表明:随着风作用的增大,结构的反应和易损性均有增大趋势;而随着地震动强度的增大,风作用对结构易损性的影响则逐渐减小。

方钢管混凝土组合异形柱防屈曲支撑框架抗震性能试验

为研究方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)防屈曲支撑框架的抗震性能,对一榀1∶2的SCFST柱防屈曲支撑框架模型进行了拟静力试验,同时采用ABAQUS有限元软件对试验模型进行了数值模拟.试验结果表明,试件呈现出防屈曲支撑、钢梁依次出现塑性铰的破坏机制.试件滞回曲线饱满,骨架曲线为S形,且强度和刚度退化不明显,位移延性系数可达3.21.防屈曲支撑耗能能力强,有效保护了框架结构.与异形柱普通支撑框架试验结果进行对比分析可知,异形柱防屈曲支撑框架抗震性能明显优于异形柱普通支撑框架.有限元分析中试件的破坏机制与试验基本一致.

组合钢管混凝土式防屈曲支撑

由于河北省图书馆加固改造工程的实际需要,开发出了一种新型组合钢管混凝土式防屈曲支撑。该新型支撑解决了全钢型防屈曲支撑在大长度时难以满足稳定性的问题,而且比起传统钢管混凝土约束的防屈曲支撑,无需考虑内芯与混凝土之间的粘结力问题,加工过程简便、施工速度快,且质量容易控制。现已对此类新型支撑完成了短试件和足尺试件的拟静力滞回性能试验,试验结果表明,新型支撑的滞回曲线饱满稳定,整体稳定性和局部稳定性较好,满足工程要求。

带防屈曲支撑的钢管混凝土框架抗震性能参数分析

设置防屈曲支撑的钢管混凝土框架是一种新型钢管混凝土减震结构。采用有限元软件Opensees对设置防屈曲支撑的单层单跨钢管混凝土减震框架进行数值模拟,研究了框架梁柱线刚度比、防屈曲支撑初始刚度以及钢管混凝土柱轴压比等设计参数对该减震结构抗震性能的影响。研究结果表明：1数值模拟和试验结果吻合较好,验证了有限元模型的正确性;2梁柱线刚度比在0.1~0.3之间变化时,钢管混凝土减震框架的抗震性能较好;3BRB耗能支撑的初始刚度K1在40~80kN/mm变化时,减震框架的耗能减震效应较明显;4在合理的钢管混凝土柱轴压比范围内,当轴压比较大时,在钢管混凝土框架中设置防屈曲支撑能明显地提高结构的耗能能力和改善结构的强度退化现象。

某高烈度区矩形钢管混凝土框架结构屈曲约束支撑减震性能分析

钢结构具有抗震性能好,大部分构件均在工厂加工,现场吊装施工快,材料可以回收利用,与国家绿色环保节能、大力发展装配式建筑的理念相适应,因此近年来我国的钢结构建筑逐渐增多。钢结构支撑体系为常见的结构形式,支撑往往采用普通钢支撑,随着经济的发展,加强房屋的抗震性能是必然趋势。与普通支撑相比,屈曲约束支撑(BRB)可以在小震下提供刚度,中大震时屈曲耗能,抗震性能相对更加优异。本工程一层需要停放消防车,层高达到6m,最大柱跨为10.4m,为增强结构的整体刚度,钢框架柱内部浇筑不低于C40的混凝土,消能减震部件选用屈曲约束支撑(BRB)。

组合钢管混凝土防屈曲耗能支撑的性能研究

防屈曲耗能支撑(BRB)作为一种新型的支撑构件,具有良好的耗能减震作用,目前已经运用到一些实际工程中。组合钢管混凝土防屈曲耗能支撑是一种新型的支撑,该支撑的内核单元由钢管混凝土构成。文章采用Ansys有限元软件,施加反复荷载,通过非线性屈曲分析模拟支撑的破坏形态和抗震耗能性能,并研究了该支撑内核突出段长度和内、外核之间的间隙对支撑耗能能力的影响。结果表明,所研究的组合钢管混凝土防屈曲耗能支撑构造合理、工作可靠、耗能能力强、抗震性能优越,解决了全钢型防屈曲支撑在大长度时难以满足稳定性的问题。

十字形内芯含隔离钢管式防屈曲支撑及其滞回性能试验

本文提出了一种含隔离钢管式钢管混凝土防屈曲支撑,既解决了全钢防屈曲支撑长度较大时整体稳定性难以满足的问题,又解决了传统钢管混凝土防屈曲支撑混凝土与内芯接触易被压碎,且摩擦力大的问题。本文对此类防屈曲支撑进行了支撑构件足尺试验,旨在了解支撑的性能并探索其合理构造。结果表明,该支撑滞回曲线饱满稳定,具有良好的延性和耗能能力,且整体稳定性和局部稳定性良好。

基于板-梁理论的集中荷载下带侧向弹性支撑矩形钢管混凝土翼缘工字形梁的弯扭屈曲分析

基于板-梁理论和能量变分原理,建立集中荷载下跨中布置侧向弹性支撑的矩形钢管混凝土翼缘工字形简支梁的弯扭屈曲总势能方程,其中位移和转角模态试函数选用6项三角级数形式。引入无量纲参数并依据势能驻值原理,获得弯扭屈曲无量纲临界弯矩解析解。采用1stOpt数学优化分析软件,拟合矩形钢管混凝土翼缘工字形简支梁无量纲临界弯矩计算公式,并与ANSYS有限元解进行对比。结果表明:拟合的无量纲临界弯矩计算公式具有可靠的精度,误差在5%以内,可为工程设计提供参考。

二重钢管防屈曲耗能支撑的有限元分析

设计了12组41种二重钢管防屈曲耗能支撑试件,应用有限元软件ABAQUS对其进行了有限元分析,研究了径厚比、约束比、长细比和边界条件对支撑性能的影响。分析结果表明:二重钢管防屈曲耗能支撑的径厚比取值不大于24、约束比的取值不小于3时,支撑的滞回曲线饱满、稳定;当支撑的长细比增加时,可以通过提高约束比来避免支撑发生整体屈曲;支撑的边界条件宜设计成固接。

三重钢管防屈曲耗能支撑性能的有限元模拟分析

防屈曲耗能支撑克服了传统支撑受压屈曲的缺点,地震时具有良好的耗能能力和延性,是一种具有应用前景的耗能减震构件。本文介绍了三重钢管防屈曲耗能支撑的构造及耗能原理,采用ANSYS程序对其进行有限元分析,研究轴力管和约束管之间的空隙对于此种防屈曲耗能支撑承载力以及滞回耗能性能的影响,并用实验验证了有限元分析的正确性。研究结果表明:采用ANSYS软件对三重钢管防屈曲支撑进行模拟分析是可行的,三重钢管防屈曲支撑工作原理明确,具有稳定的滞回耗能能力,空隙对防屈曲支撑的耗能能力以及承载力有重要影响。

三重钢管防屈曲支撑中防屈曲套管设计方法研究

基于套管边缘屈服准则,给出了由三重钢管组成的防屈曲支撑中防屈曲套管的设计方法,并通过有限元模型对设计方法进行了验证。三重钢管防屈曲支撑是由提供轴向刚度和承载力并耗散地震能量的芯材钢管,以及限制芯材整体屈曲和局部屈曲的外套管和内套管组成。当支撑芯材钢管屈服后,防屈曲支撑的弯曲刚度全部由内防屈曲套管和外防屈曲套管提供。考虑芯材钢管二阶弯矩对套管的弯矩作用,依据外套管边缘纤维不发生屈服的原则,确定防屈曲支撑允许的最大弯曲变形,进而确定了防屈曲支撑套管的刚度和截面尺寸。有限元分析结果表明,在不同芯材径厚比、不同管间间隙以及不同芯材环向预应力的情况下,该防屈曲支撑套管的设计公式均适用。

约束内置的新型双重方钢管防屈曲支撑研究

防屈曲支撑受压屈服而不屈曲的特点,使其具有良好的耗能减震效果。针对目前防屈曲支撑震后难以观察核心受力构件的变形及损伤,不利于后期震害调查的情况,提出了一种约束构件内置的新型双重方钢管防屈曲支撑。该新型防屈曲支撑震后能够直观地观察到受力构件的变形情况,便于震后修复。应用Abaqus有限元软件对新型支撑进行数值分析,研究了长细比、约束比、径厚比、间隙以及摩擦力对支撑性能的影响。结果表明:长细比、约束比、间隙、摩擦力对支撑性能的影响较大,径厚比对支撑性能几乎无影响。同时,给出了可供设计参考使用的临界约束比曲线、间隙等参数。

环向预应力三重钢管防屈曲支撑受力性能研究

提出了一种具有环向预应力的三重钢管防屈曲支撑(three-tube buckling-restrained brace,TTBRB)。该防屈曲支撑由位于中间层提供轴向刚度和承载力并耗散地震能量的芯材钢管,以及分别位于芯材外部和内部限制芯材整体屈曲和局部屈曲的外套管和内套管等3部分组成。内、外套管与芯材钢管之间设置高分子聚乙烯材料制作的减摩层,以减小芯材轴向变形过程中内、外套管与芯材之间的摩擦力。相比用实心截面芯材的传统防屈曲支撑,用空心圆管作为芯材具有更大的回转半径;且取消了混凝土类填充材料,大幅度降低支撑自重,及混凝土损伤导致的耗能能力削弱。内、外套管能够限制芯材钢管的整体屈曲和局部屈曲,并可通过装配应力的方式对芯材钢管施加环向预应力,从而可改变芯材钢管的受拉或受压屈服强度。采用验证的有限元模型研究了内、外套管与芯材钢管之间的间隙和芯材钢管内环向预应力大小对TTBRB滞回性能的影响。分析结果表明,间隙较小时,芯材在轴力作用下的环向变形受到内、外套管的限制而产生环向应力,进一步施加环向预应力后,TTBRB的轴向拉压强度显著改变。仅外套管与芯材套管之间存在间隙时,TTBRB在受拉时可提前屈服,在受压时屈服强度不受影响,应作为三重钢管防屈曲支撑优先采用的方案。

防屈曲支撑组合框架优化设计与抗震性能分析

目的以抗侧刚度比为设计变量,对设置防屈曲支撑的某18层钢管混凝土组合框架Benchmark模型进行优化设计与抗震性能分析.方法编制了基于遗传算法的优化程序,考虑以结构最大层间位移角、基底剪力为约束条件,在抗震性能不变的前提下优化防屈曲支撑的截面面积,以及考虑防屈曲支撑总截面面积为约束条件,在支撑用量相同的前提下,改善结构的抗震性能两种设计方案.结果在防屈曲支撑总用量不变的前提下,以变化抗侧刚度比设计的结构能够减少结构29%的最大层间位移角,减少4. 3%的最大层间剪力;在抗震性能不变的前提下,以变化抗侧刚度比设计的结构能够减少44%的支撑用量,其防屈曲支撑的耗能比例达78%.结论两种优化方案设计的结构均充分发挥防屈曲支撑的耗能能力,较优化前的结构更能保护框架梁、柱免受破坏.

基于抗侧刚度比的防屈曲支撑组合框架优化研究

针对某26层设置了防屈曲支撑的钢管混凝土组合框架的benchmark模型,以振型分解反应谱法作为基础算法,编制了基于遗传算法的优化程序,通过改变结构各层的抗侧刚度比,对设置防屈曲支撑的钢管混凝土组合框架结构进行了防屈曲支撑截面面积的优化设计,对以变化抗侧刚度比设计的结构和以固定抗侧刚度比设计的结构进行了弹性阶段和弹塑性阶段的地震响应对比分析。结果表明：以变化抗侧刚度比设计的结构能在不减弱抗震性能的同时,减少48%的防屈曲支撑用量。在罕遇地震作用下,以变化抗侧刚度比设计的防屈曲支撑的耗能比例达54.98%,充分发挥防屈曲支撑的塑性变形能力消耗地震能量,起到保护框架梁、柱的作用。

高强钢管混凝土柱-铝合金屈曲约束支撑结构的地震易损性分析

为研究高强钢管混凝土柱-铝合金屈曲约束支撑结构体系(HSC-SB-ALAB)在不同强度地震动作用下的失效概率,基于增量动力分析(IDA)方法,选取近场脉冲型地震动、远场地震动、近场非脉冲型地震动和综合地震动四组共45条强震记录对一个10层HSC-SB-ALAB结构体系进行了地震易损性分析,得到了结构在4种地震类型作用下的易损性曲线,给出了结构在多遇地震、设防地震和罕遇地震时达到各个极限状态的概率,计算并评价了结构的倒塌储备系数。研究结果表明:近场脉冲型地震动作用下结构达到各极限状态的概率最大,远场地震动作用下的超越概率最小;结构在各种类型地震动的作用下,倒塌概率仅为1%左右,满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标,倒塌储备系数均大于FEMA P695中要求的最小值2.47,是其他类型钢管混凝土结构的1.34~1.43倍。

大跨上承式钢管混凝土拱桥横向减震措施研究

特大跨上承式钢管混凝土拱桥的横向刚度较弱,往往是抗震的薄弱环节。针对某跨径500m的上承式CFST拱桥在横向罕遇地震下部分拱肋间斜撑应力超限易屈曲失稳和引桥墩墩底截面横向抗震能力不足的问题,提出在拱顶段斜撑和引桥墩上设置防屈曲支撑等四种减震方案。对原桥方案和4种防屈曲支撑布置方案建立有限元分析模型并进行非线性时程分析,将4种方案各关键截面的位移、内力和抗弯能力需求比与原方案进行对比分析。结果表明:方案一对拱顶位移、拱脚和拱顶内力减震效果不明显,且对设置防屈曲支撑的拱肋段弯矩有显著增大;方案二和方案三能有效减小引桥墩墩底弯矩,但对拱肋的位移和内力无明显减小;方案四(斜撑和引桥墩设置防屈曲支撑)对全桥的位移和内力减震效果最优,对拱顶和引桥墩墩顶的最大位移减震率分别为8.4%和28.6%,对全桥关键截面的抗弯能力需求比提高效果最好,能有效提高该桥梁的整体抗震性能。