含屈曲约束支撑铰支墙抗震有限元分析

文章为了实现墙底免损伤设计意图,进一步削弱墙底约束,形成一种底部含屈曲约束支撑(buckling-restrained braces,BRB)的铰支墙;以传统剪力墙约束边缘构件强度为基准,采用能力设计方法,确定BRB设计参数,建立传统剪力墙、含BRB剪力墙和含BRB铰支墙3种对比构件;对3种构件分别建立ABAQUS数值模型,利用已有试验数据校准钢筋混凝土模型参数,对比分析了构件地震作用下的受力性能和损伤特征。结果表明,含BRB剪力墙底部损伤较为严重,文中提出和设计的含BRB铰支墙刚度和强度会降低,但其具有稳定的滞回性能、预期的集中损伤机制及较好的震后功能可恢复性。

损伤可控的塑性铰支墙抗震性能试验研究

传统钢筋混凝土剪力墙底部在罕遇地震作用下可能出现不可修复的损伤,不利于建筑结构在震后的快速恢复。本文提出一种损伤可控的塑性铰支墙,将墙肢的抗弯与抗剪能力分离,降低弯剪耦合,使构件力学需求更加明确,利于性能化设计和实现预期的损伤模式;同时将塑性损伤集中于专门的消能减震装置上,提高结构震后可恢复能力。对三片1/3缩尺的墙片试件进行了拟静力试验。通过与同尺寸钢筋混凝土墙片试验结果的对比,证明等强度设计的塑性铰支墙具有更好的滞回耗能能力,同时其损伤分布得到有效控制,墙体弹性部分和连接构造的工作性能良好。

采用分布参数模型考虑高阶模态对底部带BRBs的铰支墙框架结构的影响

为了研究高阶模态对底部带BRB的铰支墙(HWBB)框架结构的影响,建立了HWBB-铰接框架和HWBB-抗弯框架的分布参数模型.将铰支墙简化为弯曲梁、BRB简化为转角弹簧、抗弯框架简化为剪切梁.推导出2种分布参数模型的振动方程,求出各阶周期、各个振型及内力和位移的数值解.研究了相对刚度比以及转动刚度比对高阶模态效应的影响.对于弹性结构,整体位移及抗弯框架中的剪力由一阶模态控制,而墙中的剪力和弯矩受高阶模态影响较大.同时研究了BRB屈服对HWBB-铰接框架结构内力分布的影响.结果表明:在BRB屈服后,原一阶模态将不再对内力产生贡献,而高阶模态对内力贡献作用将增加.但BRB屈服后位移对高阶模态不敏感、仍由一阶模态控制.参数分析表明:在墙的抗弯刚度达到一定值前,随着墙抗弯刚度的增加,结构的位移会逐渐减小;随着转动刚度的增加,前三阶周期会减小;随着转动刚度比的增加,一阶模态的基底剪力贡献系数减小,但二阶和三阶模态的基底剪力贡献系数增加.

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。

基于弯剪分离的塑性铰支墙抗震性能试验研究

钢筋混凝土剪力墙是框架-剪力墙结构体系重要的抗震构件,可以为结构提供较大的抗侧刚度,但是在实际震害中发现墙体底部易发生不可修复的损伤。针对这一问题,提出一种基于弯剪分离的剪力墙,旨在分别设计其抗弯与抗剪构件的基础上有效控制墙体的损伤,并通过选择合适的消能器作为其抗弯构件以增强耗能能力,进一步提高抗震性能。设计并制作了3个1/3缩尺剪力墙,进行拟静力试验,其中1个为普通钢筋混凝土剪力墙,另外2个分别为采用金属型消能器和摩擦型消能器作为抗弯构件的塑性铰支墙。试验结果表明:以不同消能器作为抗弯构件的塑性铰支墙的受力性能主要由消能器控制,具有明确简单的力学模型;消能器屈服后集中产生塑性变形,拥有良好的损伤控制能力和滞回耗能能力,且震后易于对消能器进行快速修复和更换,实现"震后可恢复"的目的。

连续设置屈曲约束支撑的铰支墙-框架结构时程分析

由于剪力墙延性较小,在强震作用下易受到损伤且震后修复困难。将屈曲约束支撑(BRB)与铰支墙(HW)相结合,提出了具有很大延性和稳定滞回能力的底部设置BRB的铰支墙(HWBB),为避免中部楼层处墙体损伤,采用连续设置BRB的铰支墙(CHWBB)形式。多遇地震作用下BRB未屈服为结构提供弹性刚度,罕遇地震作用下BRB屈服为结构提供附加阻尼。采用Open Sees软件进行动力时程分析,对比了底部设置BRB的铰支墙-框架结构(HWBBF)、连续设置BRB的铰支墙-框架结构(CHWBBF)和剪力墙框架结构(SWF)的抗震性能。分析结果表明:HWBBF、CHWBBF和SWF具有相似的位移响应和变形模式,CHWBB可以大幅降低地震作用下墙体的弯矩和剪力需求,可使损伤集中在易于震后更换的BRB上。

考虑面外变形的装配式塑性铰支剪力墙抗震性能试验研究

塑性铰支墙可用于替代传统RC剪力墙的底部加强区域,形成稳定的墙底塑性耗能区。通过设置只承担水平剪力和竖向荷载的抗剪组件和只承担弯矩的抗弯组件实现剪力墙弯剪解耦设计的目的。该文在已提出基于"弯剪分离"思想的塑性铰支墙的基础上展开了考虑面外变形的装配式塑性铰支墙体的抗震性能试验研究。该文介绍了两片1/3缩尺的墙体试件的拟静力试验,两个试件分别采用装配式混凝土剪力墙和装配式钢板剪力墙。试验结果表明:该文提出的装配式塑性铰支墙的连接方式是合理有效的,且该墙体试件在存在面外变形的情况下仍具有良好的抗震性能。