Steel rings as seismic fuses for enhancing ductility of cross braced frames

A new remedy is proposed in this study to increase the ductility of cross-braced frames to a level comparable with ductile moment frames.The suggested system consists of one or two concentric steel rings installed in the cross-braced bay vertically.The steel rings are designed such that they fail in bending sooner than failure of the braces in compression.Then the rings act as seismic fuses with multiple bending plastic hinges.Using nonlinear static analysis,it is shown that the proposed system can be designed to behave like cross-braced frames with regard to stiffness and strength,and like special moment frames with regard to ductility.Seismic design factors for the proposed system are recommended based on nonlinear pushover and cyclic analysis studies.

跨座式单轨独柱大悬挑钢-混组合框架高架车站抗震设计探讨

针对跨座式单轨独柱大悬挑钢-混组合框架高架车站结构抗震冗余度低,在高烈度地区应用较少,为更好地分析高架车站抗震受力全过程,以某跨座式单轨独柱大悬挑钢-混组合框架高架车站工程实例为背景,根据建筑规范和城市轨道交通规范要求设定合理的抗震性能目标,并研究构件抗震受力历时过程中的受力情况。采用大型有限元Midas作为主要计算软件,选取合理的地震波,进行多遇地震和设防地震有限元计算时采用弹性时程分析方法,且对振型分解反应谱法地震作用进行相应的放大,结果分析构件满足抗震性能目标要求。进行罕遇地震计算时,为更好地模拟工程实际情况,计算模型考虑桩土共同作用,采用结构-承台-桩基整体计算建模方法,进行弹塑性时程分析,关键构件采用截面纤维模型进行计算,能够反映关键构件在大震作用下进入破损阶段之后的行为,可以查看关键构件截面混凝土的开裂和压碎历史,钢材或钢筋的屈服和硬化过程。研究结果表明结构构件均满足抗震性能目标:(1)关键构件的钢材纤维受拉受压均未超过屈服强度,保持弹性工作状态,混凝土纤维受拉开裂,受压未达到屈服强度,同时延性系数D/D1小于1,均说明关键构件满足抗震性能为压弯、抗剪不屈服的目标;(2)桩基的钢筋纤维受拉、受压均未超过屈服强度,混凝土纤维受拉开裂,受压未达到屈服强度,满足抗震性能为压弯、抗剪不屈服的目标;(3)地震作用下,带有桩模型与无桩模型的基底剪力有一定差距,表现为带有桩基模型的地震剪力较大,设计时应考虑桩土共同作用。

上焊下栓节点钢框架力学性能研究

为了研究上焊下栓节点钢框架的抗震性能,设计了2种单榀单跨2层平面钢框架,节点形式分别为带悬臂梁普通栓焊节点和上焊下栓节点,利用有限元软件ABAQUS对钢框架进行低周往复荷载加载分析,对比2种钢框架的破坏模式、滞回性能、耗能能力等;同时为了研究上焊下栓节点钢框架翼缘拼接板宽度和厚度对其力学性能的影响,设计了2组试件,对其进行有限元加载分析。结果表明:上焊下栓节点钢框架的滞回曲线更饱满、延性和耗能能力更好、刚度退化更慢。拼接板的宽度对上焊下栓节点钢框架的力学性能影响不大,建议宽度取值大于梁下翼缘宽度20~40 mm;随着拼接板厚度增大,上焊下栓节点钢框架的滞回性能、承载能力、变形能力及延性显著提高,建议厚度取值大于梁下翼缘厚度2 mm左右,此时钢框架的力学性能最优。

多层钢结构厂房结构及节点性能化设计

根据钢标性能化设计,采用“低延性-高承载力”的抗震设计思路,对某常规设计的多层钢结构厂房进行性能化设计,对实际性能化设计过程中产生的问题进行分析阐述,证明采用合理承载力性能等级和延性等级结构设计是成立的,在节点设计时性能化设计是更为合理的计算方式,并通过对比钢结构工业厂房常规设计和性能化设计,对用钢量方面做比较,得出结构总用钢量可以减少10%的结论,在烈度不高的工业建筑中采用性能化设计对节约钢材用量产生了积极效果,为钢结构优化设计提供了新的方向。对组合钢次梁截面优化,探索组合梁更加合理的受力计算模式,得出上小下大截面组合梁相近应力比的情况下能节省40%的钢材用量的结论。

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。

钢框架梁腹板开孔型连接节点力学性能试验研究

钢框架梁柱节点的连接性能研究引起国内外的广泛关注,尤其是通过改善节点的变形性能从而提高结构的延性已成为钢结构研究的焦点。依据“强柱弱梁”的抗震设计原则,按照控制塑性铰位置的思路,对梁腹板上开孔的节点形式进行了反复荷载历程下的五个试件试验研究,探讨了梁柱节点区域内截面应力分布规律、滞回性能、节点破坏模式及极限承载能力,并利用ANSYS进行详细计算和对比分析。此外,通过一个单跨框架结构利用ABAQUS有限元程序计算分析,初步探讨了不同塑性铰位置对结构延性的影响。理论计算及试验结果表明,合理采用此类节点,可以使节点破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏,降低连接焊缝脆性破坏的可能性,达到了控制塑性铰位置的目的,从而改善框架结构的整体延性。

翼缘削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述

介绍了1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震后钢框架新型延性节点的发展状况,着重讨论了狗骨式节点的性能研究进展,指出通过削弱梁翼缘可以有效提高钢框架的抗震性能,达到延性设计的目的。最后,探讨了狗骨式节点在今后的研究方向。

低周反复荷载下方钢管混凝土框架抗震性能的试验研究

通过对一榀两跨三层的方钢管混凝土组合框架在低周反复荷载作用下的模型试验,深入研究了方钢管混凝土组合框架的滞回性能、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。研究结果表明:方钢管混凝土结构的抗震性能优于混凝土结构。

典型钢框架结构节点的动态力学性能与延性分析

采用ABAQUS有限元软件分析了典型钢框架节点(狗骨式节点、端板螺栓连接节点和T型钢连接节点)抗倒塌性能,通过改变冲击荷载大小得到节点的荷载-位移曲线关系,从而得到节点的动态力学性能。分析结果表明,对于不同类型节点,在冲击荷载作用下均未形成悬索机构,且翼缘削弱部分和螺栓连接是梁柱子结构中的薄弱环节。提出了采用节点延性系数评估连续倒塌过程中节点延性的方法,定义不同类型节点结构动力荷载下的极限转动能力θmax与结构开始形成悬链线效应所达到的转角(θc)比值为节点延性系数。当节点延性系数大于1.0时,表示该节点结构能够形成悬链线效应,进入悬索作用阶段;延性系数越大,结构的安全储备越大。节点延性系数可以用于结构抗连续倒塌设计,评估结构是否考虑悬链线效应,以便对结构进行经济、合理的设计。

模块化装配式斜支撑节点钢框架试验研究

为了获得模块化装配式斜支撑节点钢框架结构中框架体系的受力性能、破坏模式及破坏机理,对4个原尺寸的一层两跨单榀框架进行了水平和竖向静力加载试验,研究了装配式斜支撑节点钢框架的承载能力、变形特性、传力机理、破坏形态和机理.通过不同斜撑布置和构件截面尺寸框架的受力性能对比分析,获得了影响其极限承载能力的规律.进行了4个一层两跨单榀框架的实体非线性有限元静力分析,并与试验结果对比.研究结果表明:装配式斜支撑节点钢框架抗侧刚度大,延性性能较好,抵抗水平荷载能力强;结构塑性变形均发生在桁架梁和斜支撑上,符合"强柱弱梁"的抗震设计原则;斜撑对抵抗水平荷载和变形至关重要;与桁架梁交汇处是斜支撑受力薄弱的区域,斜支撑槽形截面开口处最先屈服,但屈服后塑性变形没有进一步发展,斜支撑槽形截面的腹板受力较小.

半刚接钢框架内填高延性纤维混凝土剪力墙结构抗震性能试验研究

采用高延性纤维混凝土(DFRC)改善半刚性连接钢框架内填RC剪力墙结构(PSRCW)的抗震性能和变形能力,设计1榀半刚性连接钢框架内填DFRC剪力墙试件(SDFRCW),并进行拟静力试验,研究其破坏机理、滞回性能、刚度退化、延性及耗能能力,并与已有文献的试验结果进行比较可得:1DFRC良好的拉伸性能和应变硬化效应,可以有效控制内填墙体的斜裂缝稳定发展,实现延性剪切破坏模式;2SDFRCW试件的开裂位移、屈服位移和极限位移明显高于PSRCW试件,可见采用DFRC能显著提高SDFRCW结构的层间变形能力;3SDFRCW试件破坏时,内填DFRC剪力墙已出现较宽的主斜裂缝,但墙体始终保持良好的整体性,试件承载力和刚度退化缓慢,说明采用DFRC可显著提高墙体的耐损伤能力,减少结构的震后修复费用;4SDFRCW结构具有良好的层间变形能力,能有效控制结构在小震和中震作用下的变形,满足大震作用下的变形能力和耗能要求。

两层两跨方钢管混凝土框架抗震性能试验研究

为了研究采用穿芯高强螺栓-端板节点的方钢管混凝土框架的抗震性能,对一榀两层两跨的方钢管混凝土柱-钢梁框架进行了竖向荷载和低周反复水平荷载作用下的抗震性能试验研究,观测了框架的破坏形态,得到了框架试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线,分析了方钢管混凝土框架的破坏机制、滞回性能、延性、耗能能力、强度及刚度退化等力学性能。结果表明：框架试件基本实现了梁铰破坏机制,具有良好的变形性能和耗能能力,位移延性系数为5.86～6.42,等效黏滞阻尼系数达到0.454,均满足延性框架的抗震要求。框架试件的强度和刚度退化较为平缓,具有较强的抗侧移能力。

钢管混凝土框架结构抗震性能的试验研究

按照现行规范的有关规定设计制作了一榀两跨 3层钢梁 圆钢管混凝土柱的钢管混凝土框架结构模型 ,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载 ,对模型框架进行了抗震性能试验研究。结果表明 ,基于现行规范所设计的钢管混凝土框架在地震时能形成梁铰破坏机制 ,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等受力性能均满足延性框架的抗震要求 ,且模型框架的有效延性系数达到了 7 5 4,远大于一般延性框架延性系数应不小于 4 0的要求。由此可以得出结论 ,钢管混凝土框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构和钢框架结构 。

梁腹板削弱式刚性钢框架抗震性能研究

根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则,按照有效控制梁上塑性铰位置的思路,对在梁腹板上进行开孔削弱的节点形式,通过开孔位置和大小的设计,控制节点处塑性铰形成的位置,进行三维有限元模拟分析,并将削弱位置和尺寸不同的节点构造形式与传统的梁柱节点进行对比分析。ANSYS模拟结果表明,采用腹板开孔的形式能大大缓解节点的应力状态,改善节点的延性性能,降低节点发生脆性破坏的可能性,提高结构的抗震性能。

端部设肋方钢管混凝土框架柱抗震性能分析

提出了一种端部设肋方钢管混凝土框架柱,采取在柱端部区域设置纵向加劲肋的方式避免端部过早地发生局部屈曲,以提高其承载力,改善延性和抗震性能.采用通用非线性有限元软件MSC.Marc建立壳-实体精细有限元分析模型对已有试验进行了非线性有限元分析,有限元分析结果与试验结果吻合良好.在验证了有限元模型合理性的基础上,分析了不同参数条件下端部设肋方钢管混凝土框架柱的力学性能.研究表明,端部加劲肋能够延缓钢管壁的鼓曲,提高柱的承载力,显著改善柱的延性和抗震性能.端部加劲肋的设置长度以柱的1~2倍边长为宜,高度和厚度应满足一定的构造要求,可以通过增大加劲肋的厚度或增加每边加劲肋的设置数量来提高柱的承载力,且后者效果更好.

可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能研究

为满足高烈度、高人口密度地区对高延性和高耗能能力装配式钢结构的迫切需求,采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材来制作钢框架节点连接组件,利用高强度螺栓与主体结构连接,实现预制装配功能、"延性耗能保险丝"功能、震后可更换功能的叠加。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性全接触有限元模型,结合国内外已有的钢框架全螺栓连接节点循环加载试验,验证建立的数值模型对模拟局部屈曲以及螺栓滑移现象的准确性。在此基础上,通过建立三类典型带连接组件的全螺栓连接钢框架节点数值模型,采用三种不同材料LYP100、LYP160和Q235制作连接组件,对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等,深入探讨采用低屈服点钢材连接组件钢框架节点的工作机理。结果表明:连接组件采用低屈服点钢材,可改变节点破坏模式,使塑性累积变形主要集中在连接组件上,耗散大部分能量(90%左右),避免主体结构过早进入塑性阶段,有效发挥"延性耗能保险丝"作用;带低屈服点钢材连接组件节点的耗能能力高于带普通钢材连接组件的节点;当节点转角达到0.045 rad时,低屈服点钢材连接组件的最大伸长率远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变,说明连接组件仍具有较大的变形空间,不会发生提早断裂破坏,有效提高节点延性。

带轻质墙板钢管混凝土框架的低周反复荷载试验研究

为了研究地震荷载作用下轻质墙板与钢管混凝土框架的共同受力性能和破坏机理,进行6榀带轻质墙板钢管混凝土框架结构的低周反复荷载试验。研究参数有柱截面类型、墙板厚度、墙板连接形式和墙板类型。详细观察试验过程和结构破坏特征,分析水平荷载-水平位移关系滞回曲线、延性、耗能能力等。研究表明,带片状轻质墙板钢管混凝土框架试件具有良好的抗震性能和延性,能满足结构抗震设计的要求;在地震荷载作用下钢管混凝土框架与轻质墙板(WKP板和NALC板)采用U型卡扣件或钩头螺栓等连接件,具有良好的共同工作性能和安全可靠性,可以在建筑工程中安全应用。

防屈曲支撑钢框架抗地震侧向倒塌能力分析

以OpenSees为分析平台,建立一个9层钢框架结构Benchmark模型的有限元模型,并设计两种屈曲支撑布置方案。通过静力Pushover分析和时程分析,得到防屈曲支撑与钢框架结构的合理刚度匹配原则,分析防屈曲的最优布置方式和布置原则。通过防屈曲支撑钢框架与纯钢框架结构的整体超强系数RS与整体延性折减系数Ru的对比,研究防屈曲支撑提高钢框架结构整体稳定性能和抗地震侧向倒塌能力的作用。基于增量动力分析,比较钢框架与防屈曲支撑钢框架的倒塌中位值,分析防屈曲支撑提高钢框架结构抗震承载能力和塑性变形能力(整体延性)的作用以及合理的防屈曲支撑布置方式。

延性节点钢框架结构的抗震性能分析

为简化延性耗能节点钢框架结构的数值计算,利用延性耗能节点简化理论模型分别对6层、12层的翼缘削弱型节点钢框架和盖板加强型节点钢框架进行简化,并对框架简化模型和实际框架模型进行模态分析;提取框架结构的前3阶基本周期并计算阻尼比,并对框架结构简化模型和实际模型开展El Centro波和Taft波2种地震波下的动力时程分析,将框架简化模型计算得到的框架基本周期、柱顶位移和柱底剪力时程曲线与实际框架模型的数值计算结果进行对比。结果表明:整体上框架简化模型和实际框架模型的数值计算结果吻合较好,翼缘削弱型节点框架简化模型计算的框架基本周期比实际模型计算值稍小,相对误差在8.5%以内,而盖板加强型节点框架简化模型计算的框架基本周期比实际模型计算值稍大,相对误差在4.0%以内;柱顶位移和柱底剪力时程曲线吻合较好。延性节点简化理论模型用于框架结构动力计算具有极高的计算精度,可有效分析延性节点钢框架结构的抗震性能。

轴压比对方钢管混凝土框架延性影响的有限元分析

为了研究框架柱的轴压比对方钢管混凝土框架延性的影响,建立了方钢管混凝土框架结构的非线性有限元分析模型。将该模型的计算结果与方钢管混凝土框架结构在低周反复荷载作用下试验所得的滞回曲线进行对比,可见模型的计算结果较为精确,可以应用于框架的结构分析中。利用此模型对在低周反复荷载作用下的、轴压比不同的方钢管混凝土框架结构进行了有限元分析,并对其滞回曲线和位移延性系数进行了对比分析。结果表明:随着边柱和中柱轴压比的增大,框架延性降低。