全钢Tin-T防屈曲支撑抗震性能研究

全钢管套管(tube in tube,Tin-T)防屈曲支撑是一种重量轻、制作简单、安装方便的新型支撑构件,利用有限元软件Abaqus,针对该新型支撑构件进行低周往复循环加载模拟分析。设计6组不同形式的支撑构件模型,其中有5组为Tin-T防屈曲支撑构件,1组为传统单管(Tube)支撑构件。研究不同形式支撑构件的内外管在层间位移比RSD为0.67%、1%、1.33%、2%的情况下,构件的应力应变、骨架曲线、滞回曲线、耗能等抗震性能的变化和影响。研究结果表明:1)Tin-T防屈曲支撑的抗震性能指标均明显好于传统支撑,尤其是内管的受压承载力平均比传统支撑Tube构件提高了109%;2)为减轻重量和便于观察内管的受力变化,在外方管两侧做部分开洞处理,开孔率的变化对支撑构件的承载力和耗能影响并不显著,增减幅度均在5%以内;3)Tin-T防屈曲支撑增加内管厚度,虽然能提高支撑构件的耗能(附加有效阻尼比仅提高了5%),但附加有效阻尼比与增加构件重量相比,材料利用率并没有达到较佳的性能比。因此,以增加内管厚度来提高防屈曲支撑构件的耗能并不是最佳选择。

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.

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。

基于防屈曲支撑的导管架大型风机冰激振动响应分析

位于寒区的导管架大型风机在服役期间易遭受冰荷载的作用,冰激振动响应显著。为保证风机安全运行,要求其必须具备一定的抗冰性能。而导管架支撑构件一般是细长比较大的薄壁空心圆筒结构,在极端冰荷载作用下易发生屈曲破坏,从而导致主体结构遭受更大的冰激振动。为解决这一问题,提出基于防屈曲支撑(BRB)的导管架风机结构。以渤海某四桩导管架大型风机为例,利用ANSYS有限元软件建立结构的简化模型,对其进行屈曲分析,将易发生屈曲的杆件换成防屈曲支撑,分别对替换前后的风机在3条挤压冰荷载作用下的振动响应进行对比分析。结果表明:BRB风机结构在不同挤压冰荷载作用下,均可以减小关键位置的峰值位移、峰值加速度,尤其在Push2冰荷载作用下结构振动响应甚至可减小26%以上。该研究成果可为其他同类型海上风机结构设计与研究工作提供参考。

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。

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。

基于midas的桥梁防屈曲耗能支撑吊装平台数值模拟研究

为探究桥梁防屈曲耗能支撑吊装平台在受荷过程中的力学性能,以重庆市璧山区藕塘支路桥防屈曲耗能支撑安装案例为工程背景,以midas有限元数值模拟为计算手段,模拟四种不同荷载组合下吊装骨架应力及吊架配重分布情况,计算结果显示:正面风荷载作用下吊装平台在工作状态时的骨架最大应力为129.3 MPa,较侧面风荷载工况下增加了1.9%,变化幅度不大,左右支撑点配重均相同;无二期荷载的移动过程中,侧面风荷载下骨架最大应力较正面风荷载状态下增加了34%,且单侧配重不平衡,差异最大达78.9%,综合最佳配重为12.8 kN,考虑结构的安全性,工程中建议吊架平台配重为3.84 t。

十字形内芯全钢防屈曲支撑构件及子系统足尺试验

以北京某办公楼实际工程为依托,对内芯为十字形的全钢防屈曲支撑进行支撑构件及子系统足尺试验研究,以了解其性能及合理构造。首先根据性能要求进行初步设计。继而在MTS上对设计的第一根构件进行单轴拉压试验,由于加工精度不足引起的偏心等原因,出现绕弱轴弯曲,试验终止。改进设计制作第二根构件进行试验,内芯在其与外套管点焊位置断裂,表明内芯屈服段除必要的板件之间的连接焊缝外,不应出现额外焊缝连接接头。采用在下端加劲肋处局部加厚方式限制外套管下滑,设计了第三根构件并安装到加载框架上进行子系统足尺试验,完成加载制度时支撑完好,且滞回曲线饱满稳定,受压强度提高系数及累积延性系数均满足规程要求。试验证明,改进后的十字形内芯全钢防屈曲支撑具有良好的延性及耗能能力。

装配式防屈曲支撑设计理论的研究进展

介绍了近年来各国学者提出的几种装配式防屈曲支撑形式;在此基础上,阐述了内核构件与外围约束构件的相互作用机理,外围约束构件刚度折减等装配式防屈曲支撑设计理论问题;讨论了保证外围约束构件整体工作对螺栓强度和螺栓间距的要求;最后对防屈曲支撑框架节点性能的研究现状进行了总结。

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。

防屈曲支撑理论分析与有限元模拟

目的研究保证防屈曲支撑稳定工作性能的问题,给出防屈曲支撑的构成要求.方法对防屈曲支撑进行理论分析,并结合通用有限元程序,进行二次开发,对六种不用类型的防屈曲支撑的有限元模型进行分析.结果防屈曲支撑的整体稳定的理想条件为屈曲约束比ζ大于1,通过有限元模拟分析初始缺陷对支撑稳定工作的影响,提出屈曲约束比ζ的限值应提高.屈曲约束单元内填充的砂浆或混凝土能有效防止支撑的高阶屈曲.支撑的扭转屈曲可通过控制连接段的宽厚比不超过Ei/2(1+υ)fy来防止.结论通过理论分析给出保证防屈曲支撑稳定工作的条件,修正屈曲约束比要求以考虑初始缺陷的影响.分析中不同截面类型的支撑对屈曲约束比的不同要求是由截面尺寸不连续引起,因此对不用的支撑类型均可采用相同的屈曲约束比要求.

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。

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.

装配式防屈曲支撑构件及框架设计理论

防屈曲构件作为一种性能优越的消能减震构件,在很多国家得到广泛应用。一种新型的装配式防屈曲支撑构件,解决了传统防屈曲支撑由混凝土外围约束构件所导致的加工精度控制困难及湿作业等诸多问题,而且现场组装更加快捷。提出了多种创新型的装配式防屈曲支撑构件形式,其外围约束构件多采用常用型钢或钢板组合而成,外围多个约束构件之间通过螺栓连接并形成捆绑作用。这种装配式防屈曲支撑的设计除了满足一般防屈曲支撑构件的约束比限值要求外,还要对外围约束构件间的"捆绑作用"进行计算以设计螺栓连接,保证多个外围约束构件满足变形协调而作为一个整体构件参与工作。还对一种由防屈曲支撑衍生出的屈曲延迟性构件的计算方法进行了介绍,其在加固改造工程中有很大应用空间。最后对防屈曲支撑框架的抗震性能与设计理论进行了探讨,并对未来研究工作进行了展望。

基于OpenSees摇摆防屈曲支撑钢框架抗震性能分析

为研究摇摆防屈曲支撑钢框架抗震性能,采用Open Sees有限元软件,基于防屈曲支撑钢框架(BRBSF)和摇摆防屈曲支撑钢框架(RBRBSF)拟静力试验建立试验框架数值模型,采用多细分基于刚度法的梁柱单元模拟钢梁与钢柱,梁端削弱截面处用零长度截面单元模拟塑性铰出现,并采用缝(Gap)单元与桁架(Truss)单元模拟摇摆柱脚,对比模拟结果与试验结果,验证模型正确性,并进一步分析RBRBSF响应,结果表明:模型能准确预测BRBSF和RBRBSF抗震性能,摇摆柱脚可减轻主体框架损伤风险。

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。

调谐质量型防屈曲支撑TMD构造及动力性能试验研究

借鉴正交试验理论,设计,制作并测试了5个足尺调谐质量型防屈曲支撑试件。影响因素包括工作周期、接触工艺和弹簧布置。其中工作周期3水平,其它因素2水平。重点考察弹簧、接触面摩擦、受力形式等对试件动力性能的影响,以及相关构造条件下BRB的性能表现。试验包括自由振动,常见地震烈度条件下共振试验和静力拉压试验。研究分析了试件频谱特性,动力系数和阻尼比变化规律,拉压滞回性能。试验结果表明,对称弹簧布置的轮式构造试件调谐精度高,TMD特性明显,BRB相关性能指标能够满足行业规定,实现复合减震功能在构造上的"兼顾"。

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。

TMD型防屈曲支撑构造及减振与抗震性能研究(Ⅱ)

为使防屈曲支撑功能实现复合化,设计并制作了一种具有调谐质量减振功能的防屈曲支撑(tuning mass dampered-buckling restrained brace,TMD-BRB).通过对6个动力试件的拟斜动试验和2个静力试件的滞回性能试验,考察了试件的复合减震功能,以及接触面做法、弹簧布置和套筒加长等几个关键技术对试件减震性能的影响,得出最优构造.试验结果表明:轮式-套筒加长型TMD-BRB,其TMD调谐精度高,动力系数大,周期特性明显;BRB性能方面,支撑在1/85支撑长度加载范围内滞回曲线稳定饱满,压拉比均值1.07,刚度退化和骨架曲线规律正常,30圈疲劳试验耗能下降10%,各项指标均满足国内外有关规定,且伴随钢芯变形能够实现TMD和BRB两种减震功能之间的自动切换.

双套管防屈曲支撑的抗震性能的实验研究

双套管防屈曲支撑是由内核与套筒组合而成的结构体系,其中内核承受轴向压力,套筒只提供内核侧向支撑并约束内核的屈曲变形.主要对其3个主要设计参数约束比、间隙和内核突出段长度进行了探讨性的实验研究,得出该三种不同参数的变化对防屈曲支撑的抗震性能的影响程度.