高强钢组合偏心支撑框架抗震性能研究

高强钢组合K型偏心支撑框架耗能梁段和支撑采用Q345钢,其余构件采用Q460钢,不仅能有效减小构件截面、节约钢材、降低造价,而且有助于推广高强钢的应用。为了比较高强钢组合K型偏心支撑框架与Q345钢K型偏心支撑框架的抗震性能,在试验研究的基础上,设计两组共8个不同层数的高强钢组合K型偏心支撑框架与Q345钢K型偏心支撑框架,并分别对其进行非线性静力推覆分析和动力时程分析,对比分析两种结构形式的承载力、刚度、延性以及地震作用下层间变形能力和耗能梁段。结果表明:在满足抗震性能要求的前提下,相同设计条件下高强钢组合K型偏心支撑框架变形略差于Q345钢K型偏心支撑框架,但是其构件截面较小,可以节省钢材,降低工程造价,具有较高的经济效益。

高层高强钢组合偏心支撑框架抗震性能简化分析

高强钢组合偏心支撑钢框架是一种新型的抗震结构体系,为分析其抗震性能,利用ABAQUS有限元软件建立了简化分析模型。在验证该简化模型合理有效的基础上,建立了某十层算例的整体模型,施加竖向荷载的同时施加水平倒三角形循环荷载作用,进而分析了该算例的滞回性能。研究表明:本文提出的简化分析模型不仅可以较准确的模拟该结构体系的延性和抗侧刚度,还可以有效预测结构的变形分布和非线性性能。

基于多水准的高强钢框架-D形偏心支撑结构层剪力分布研究

高强钢框架GD形偏心支撑结构中耗能梁段采用Q355钢,非耗能构件(即框架梁和柱)采用高强度钢材,形成一种新型结构体系.耗能梁段在结构遭遇罕遇地震时充分发挥塑性变形耗能,保护高强钢框架处于弹性受力状态,高强钢框架GD形偏心支撑结构由于在塑性状态下结构刚度发生改变,其层剪力分布模式不再符合基于强度的设计理论,因此,本文研究了高强钢框架GD形偏心支撑结构在多水准地震动状态下的层剪力分布模式.本文设计了四种不同层数(4层,8层,12层和16层)和三种不同耗能梁段长度(900mm,1000mm和1100mm)的高强钢框架GD形偏心支撑结构,输入40条近场脉冲地震和40条远场地震记录,得到结构在多遇地震、设防地震、罕遇地震以及极罕遇地震下的层剪力分布模式,并对罕遇地震下的层剪力分布模式进行参数标定,获取塑性状态下结构的弹塑性侧向力分布状态.

耗能梁段腹板厚度对高强钢组合Y型偏心支撑框架受力性能的影响研究

为了研究耗能梁段腹板厚度对高强钢组合单层单跨Y型偏心支撑框架的受力性能,采用有限元软件ABAQUS分别对5个不同耗能梁段腹板厚度的高强钢组合单层单跨Y型偏心支撑框架模型进行了分析。结果表明:这种结构形式具有良好的耗能性能,耗能梁段能够充分发挥耗能的作用;耗能梁段腹板厚度对其强度、刚度和耗能性能均有较大影响,耗能梁段腹板厚度设计合理时,可满足结构在小震或中震作用下的承载力和变形要求,在大震下有良好的变形能力和耗散地震能量的能力。

多层高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能研究

高强钢组合偏心支撑是指耗能连梁采用普通钢材(Q345),而框架梁、柱等非耗能构件采用高强度钢材(Q460)的偏心支撑结构,这种结构体系不仅有效降低了构件截面,而且有助于高强度钢材的应用推广。为了研究其抗震性能,对1∶2缩尺比例的三层高强钢组合K形偏心支撑钢框架整体试件进行了低周往复加载试验,耗能连梁均为剪切屈服型。试验结果表明:高强钢组合K形偏心支撑结构具有较高的承载能力、良好的位移延性和耗能能力,二层耗能连梁的腹板受剪撕裂是试件破坏的标志,导致整体结构的承载力下降。试件最终破坏时,非耗能构件基本处于弹性受力状态,耗能连梁的弹塑性变形消散了大部分地震能量。另外,高强钢组合K形偏心支撑结构的延性指标受耗能连梁长度(e)与框架梁长度(L)比值影响,也与耗能连梁的转动能力有关,e/L越大,耗能连梁越接近于弯曲破坏,延性性能越好。

多层高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能试验研究

为研究高强钢组合Y形偏心支撑钢框架结构的抗震性能,进行了一个1∶2缩尺模型的三层结构试件的低周往复加载试验,从结构的承载能力、刚度退化、位移延性、耗能能力及破坏模式等方面评价了结构的抗震性能,试验采用三质点倒三角形比例加载。研究结果表明:高强钢组合Y形偏心支撑结构具有较高的承载能力、较好的位移延性和耗能能力,屈服强度较低的耗能连梁的弹塑性变形耗散了大部分地震能量,而高强钢非耗能构件基本处于弹性受力状态,保证了极限状态下结构的完整性。框架梁与耗能连梁连接节点处受力复杂、应力集中严重,加之楼板对框架梁的约束,该节点处变形较大,使得试件最终在此位置破坏。

耗能梁腹板厚度对高强钢组合K型偏心支撑钢框架受力性能的影响

为研究高强钢组合偏心支撑框架的抗震性能,采用ABAQUS有限元软件对5种不同耗能梁腹板厚度的高强组合钢偏心支撑钢框架(耗能梁段为Q345钢,梁柱及支撑为Q460钢)进行了有限元模拟分析.研究表明:在适当的范围内耗能梁段腹板厚度增大可提高结构的承载力、刚度及耗能能力,但过厚会因框架梁柱节点等处的破坏导致及耗能能力的降低,并根据有限元分析结果对耗能梁段的厚度给出了相关建议.

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构弹塑性层剪力分布研究

为研究Y形高强钢组合偏心支撑框架结构(Y-HSS-EBF)的弹塑性层剪力分布,设计了4个不同层数且具有理想整体屈服模式的Y-HSS-EBF结构,同时建立了Y-HSS-EBF结构振动台试验试件的有限元模型并进行了验证,在此基础上考虑了结构层数、近场地震的速度脉冲效应以及远场地震加速度累积循环效应的影响,通过非线性时程分析获得了Y-HSS-EBF结构在罕遇水准近场、远场地震下层剪力分布,基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的底部剪力法提出了Y-HSS-EBF结构弹塑性层剪力分布模式,并与现有层剪力分布模式进行了对比。结果表明:近场地震波的速度脉冲效应以及远场地震波的加速度循环效应对Y-HSS-EBF结构的层剪力分布影响较大,应考虑其对结构层剪力分布的影响;建议的层剪力分布模式与时程分析结果的误差最小,在精度上优于文中其他层剪力分布模式,可以为Y-HSS-EBF结构基于性能的设计方法提供参考。

直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究

K形高强钢组合偏心支撑(K-HSS-EBF)是指耗能连梁和支撑采用Q345钢,而框架梁、框架柱采用高强度钢(如Q460)。为研究其在罕遇地震作用下的抗震性能,在试验研究的基础上,采用直接基于位移的抗震设计方法设计了5层、8层和12层算例,分别进行静力推覆分析和动力弹塑性分析,研究高强钢组合偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下层间侧移分布和破坏模式。研究结果表明:直接基于位移的抗震设计方法设计的算例在罕遇地震作用下,结构的层间侧移满足我国现行抗震规范的要求,结构呈理想的渐进式梁铰屈服机构,并证明该设计方法的合理性和可靠性。

基于抗震韧性的高强钢组合偏心支撑钢框架研究

将基于抗震韧性的设计理念引入高强钢组合偏心支撑钢框架结构。通过韧性设计,使得高强钢组合偏心支撑钢框架结构,在满足结构抗震目的的同时,结构构件参与结构抗震方式明确,主体构件不发生塑性破坏,耗能支撑或耗能梁段通过塑性变形吸收地震能量,同时,通过装配式建造,耗能构件易于更换,达到结构韧性抗震的目标。提出评价高强钢组合偏心支撑钢框架的评价指标。

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。

基于OpenSEES的高强钢组合K形偏心支撑框架精细化建模分析

为研究高强钢组合K形偏心支撑框架在反复荷载作用下的受力性能,在已有拟静力试验的基础上,利用有限元软件OpenSEES对一个高强钢组合K形偏心支撑框架模型进行了精细化建模研究。首先,探讨了模型的单元选择,纤维截面划分和材料本构参数定义问题。同时,考虑到在地震荷载作用下,高强钢组合K形偏心支撑框架主要依靠消能梁段的剪切变形来耗能,因此,如何模拟结构中消能梁段的剪切效应成为研究的关键。本文采用OpenSEES提供的组合截面和零长度单元两种方法来对消能梁段进行建模,剪切材料分别考虑了Steel 02和滞回材料。将不同消能梁段建模方法的模拟滞回曲线和骨架曲线与试验结果进行比较。结果表明:精细化模型的数值模拟结果和试验结果具有较好的吻合度,验证了数值模型的正确性和可行性;采用零长度单元和Steel 02的组合方式来模拟消能梁段的剪切效应能够同时满足计算效率和计算精度的要求,为进一步利用OpenSEES进行高强钢组合K形偏心支撑框架的动态响应分析和复杂模型分析提供了建模参考依据。

耗能梁段长度对高强钢组合Y型偏心支撑框架受力性能影响的研究

采用ABAQUS有限元软件对高强钢组合Y型偏心支撑框架进行有限元分析,分别对5种不同长度的耗能梁段的进行单调加载和循环加载,研究耗能梁段长度对框架受力性能的影响。分析表明,高强钢组合Y型偏心支撑框架的耗能能力较强;耗能梁段长度越长,结构的耗能能力也就越强,但长度增加到一定程度时,结构的承载能力明显降低。

钢框架-偏心/中心组合支撑结构的特性研究

对工程实践中出现的钢框架-偏心支撑结构中局部布置中心支撑形成新的组合支撑结构体系进行了研究。结合算例的对比分析表明,在线弹性阶段,钢框架-偏心/中心组合支撑结构的宏观抗侧刚度与框架-偏心支撑结构、框架-中心支撑结构抗侧刚度无较大差别。静力推覆对比分析表明,钢框架-偏心/中心组合支撑结构较容易进入耗能梁和中心支撑混合耗能的不合理模式,钢框架-底部偏心+上部中心支撑结构在地震下的屈服次序是不合理的,不宜将中心支撑组合应用于钢框架-偏心支撑结构之中。对确因建筑等原因需将两种支撑混合应用时,应以偏心支撑耗能梁优先耗能、避免支撑混合耗能的原则,进行必要的弹塑性分析设计,确保混合体系合理的抗震性能。

高强钢组合K形偏心支撑结构的结构影响系数和位移放大系数研究

高强钢组合K形偏心支撑结构是指耗能梁段采用普通钢材(如Q345钢),而框架梁、柱采用高强度钢材(如Q460钢)的结构。耗能梁段在大震作用下剪切屈服耗散能量,而梁柱构件基本处于弹性受力状态,保证地震作用下的塑性变形仅集中于耗能梁段。结构影响系数R是基于性能的抗震设计方法中至关重要的部分,R取值合理是结构抗震性能设计的关键。我国2016版《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中隐藏了结构影响系数的概念,且对所有的结构体系取统一值,显然不尽合理。通过基于性能的抗震设计方法分别设计了结构层数(5层、10层、15层、20层)与耗能梁段长度(900 mm、1000 mm、1100 mm、1200 mm)各不相同的高强钢组合K形偏心支撑结构,分别采用静力非线性推覆分析法(Pushover分析法)和增量动力分析方法(IDA方法)模拟出不同结构模型的底部剪力-顶点位移曲线,将性能曲线转化为可与设防地震需求谱和罕遇地震需求谱相交的能力谱曲线,进而计算出结构影响系数R和位移放大系数Cd,分析结构层数与耗能梁段长度对性能系数的影响。最后,对比所有模型结构使用两种计算方法所得的性能系数值,提出各性能系数的建议取值,为高强钢组合K形偏心支撑结构的抗震设计提供建议。

Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能

在Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性振动台试验的基础上,建立了试验试件的有限元模型,并验证了分析的正确性。设计了一个9层的Y形偏心支撑高强钢框架结构,以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比为参数,对9层结构进行了非线性动力时程分析,研究了以上参数对结构抗震性能的影响。研究结果表明,改变耗能梁段长度、高跨比对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱弯矩、耗能能力均有不同程度的影响,对框架柱轴力、基底剪力无显著影响;改变耗能梁段腹板高厚比对结构耗能能力有影响,对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱受力、基底剪力无显著影响,并给出了相关设计建议。

不同支撑形式高强钢组合偏心支撑抗震性能研究

耗能梁段作为偏心支撑结构的耗能元件,在大震作用下通过弹塑性变形吸收地震能量,保护主体结构处于弹性受力状态。现行规范基于强度的设计理论,为了保证耗能梁段进入塑性或破坏,梁柱构件需要进行放大内力设计,导致截面过大,而且基于强度的设计方法很难保证结构的整体破坏状态。目前,抗震设计越来越重视基于性能的设计思想,该方法能够评估结构的弹塑性反应。对于高强钢组合偏心支撑,其中耗能梁段和支撑采用Q345钢,框架梁柱采用Q460或者Q690高强度钢材,高强钢不仅带来良好的经济效益,而且能够推广高强钢在抗震设防区的应用。利用基于性能设计方法设计了4种不同形式的高强钢组合偏心支撑钢框架,包括K形、Y形、V形和D形,考虑4层、8层、12层和16层的影响。通过Pushover分析和非线性时程分析评估该结构的抗震性能,研究结果表明:4种形式的高强钢组合偏心支撑钢框架具有类似的抗震性能,在罕遇地震作用下,几乎所有耗能梁段均参与耗能,而且层间侧移与耗能梁段转角沿高度分布较为均匀。其中:D形偏心支撑具有最大的抗侧刚度,但延性较差,而Y形偏心支撑的抗侧刚度最弱,但延性最佳。

连梁可更换的Y型偏心支撑组合框架力学性能试验研究

为研究连梁可更换的Y型偏心支撑组合框架(简称“Y型V-EBCF”)的力学性能,设计制作了一榀Y型V-EBCF试件,其中可更换式连梁由低屈服点钢加工并通过高强螺栓与周边构件相连。对Y型V-ECBF试件和拆卸了连梁后的试件分别进行了拟静力试验,分析了试件的失效模式、荷载-位移曲线和残余位移角,试验结果表明:在连梁失效前,结构具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;当拆卸失效连梁后,结构在组合框架的不平衡内力下恢复至原位,残余变形角为0.002 rad,小于规范限值(0.005 rad)及最大可更换残余位移角限值(0.0023 rad),且余下试件再加载时的滞回曲线依旧饱满稳定,表明Y型V-ECBF体系具有良好的震后恢复能力;采用现行AISC360-16规范相关公式可以准确计算低屈服点钢连梁的承载力,但超强系数建议取3.0以防止周边构件的破坏;Y型V-ECBF体系的刚度和承载力等于偏心支撑中连梁和组合框架的刚度与承载力之和。此外,Y型V-EBCF中的连梁会引起框架梁跨中承担额外的弯矩,导致跨中混凝土板的开裂,该文给出了计算跨中混凝土板裂缝宽度的公式。

高强钢组合偏心支撑振动台试验模态参数识别方法研究

为全面了解结构模型的模态参数在整个试验过程中的变化情况,提出采用随机子空间(SSI)法,直接利用结构在振动台试验过程中的加速度响应数据,识别结构的模态参数。用所提方法识别了一三层高强钢组合K型偏心支撑框架结构的频率、阻尼和振型,与峰值拾取法(PP)识别结果相比:该方法的固有频率识别结果误差很小,最大不超过4%;阻尼识别结果波动更小,与试验现象更接近。研究表明SSI法可用于识别振动台试验过程中每一次输入之后的结构模态参数,克服了传统方法识别阻尼不稳定、有时误差惊人等问题,对了解结构模型的模态参数具有重要的理论意义和实际应用价值。

带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑有限元参数分析

提出了一种新型变截面可更换耗能梁,控制塑性变形集中在耗能区域中,通过扩大截面与框架梁采取翼缘和腹板螺栓拼接连接,易于实现螺栓弹性设计,减小螺栓滑移,完成耗能梁端在地震作用后的更换。利用变截面可更换耗能梁段中部区域耗能集中与塑性变形优越的特性,结合高强钢的较大弹性变形,在偏心支撑钢框架中设置变截面可更换耗能梁段,形成带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构体系,通过有限元软件模拟验证了已有端板连接可更换耗能梁段试验,对比破坏模式、承载能力与耗能特性,以此为基础,建立了带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构有限元模型,通过循环加载研究了结构的承载能力、刚度、受力特点、塑性转角和塑性分布等受力机理。考虑了中间耗能区域长度(e)、钢材牌号组合和变截面可更换耗能梁段长度(e′)三个参数变化对结构抗震性能的影响规律。