新型剪切屈服型耗能梁K形偏心支撑钢框架结构抗震性能研究

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论文字数:43552 论文编号:sb2021070614132236258 日期:2021-07-30 来源:硕博论文网
通过拟静力试验和数值模拟研究对本文基于削弱耗能梁截面原理(腹板)所提出的两种新型耗能梁偏心支撑结构的(Q2、Q3 型结构)抗震性能进行了研究,并得出了一些有益的建议。当然本文的研究仍然存在一些不足之处,需要今后进一步研究分析,现叙述如下:1)实际工况中梁段上存在着混凝土组合楼板,应该进一步分析考虑楼板影响下的新型偏心支撑钢框架结构抗震性能分析。2)考虑多层多跨的拟静力试验及振动台试验,进一步分析结构的性能,并通过动力弹塑性分析,得出结构的恢复力模型。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
偏心支撑钢框架结构是指结构体系中的支撑斜杆,至少一端与梁连接(不在梁柱节点处),另一端可连接在梁与柱的相交处,或在偏离另一支撑的连接点处与梁连接,这样就在支撑与柱之间,或者支撑与支撑之间形成了耗能梁段[1]。根据支撑布置形式的不同,偏心支撑结构可以分为 K 形、D 形、Y 形、V 形和 A 形等[2](图 1-1)。
图 1-1 常见的偏心支撑形式
图 1-1 常见的偏心支撑形式
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1.2 国内外研究现状及分析
对于偏心支撑钢框架结构抗震性能的研究目前常用的有两种方法:试验方法和有限元方法(通过有限元分析软件:如 ABAQUS、ANSYS 等)。试验研究是最直接、最传统的研究方式,它可以对原型结构或缩尺模型(相似比进行缩尺)按照实际情况进行试验来获取相应的数据,但相对周期较长、成本较高。采用有限元的方法研究却可以节省大量的人力、物力、财力等,且研究结果也是比较精确的。
1.2.1 试验研究
偏心支撑钢框架结构在罕遇地震下通过耗能梁段的塑性变形耗散地震能量,其他非耗能构件(框架梁、框架柱及支撑等)基本处于弹性工作状态,耗能梁段充当结构“保险丝”作用。为了使耗能梁段的耗能能力更加充分进而提高偏心支撑钢框架结构的抗震性能,国内外学者做了大量的研究,具体研究如下:
Popov 等通过试验研究的方法对剪切屈服型偏心支撑结构的耗能梁段腹板高厚比、加劲肋的布置、结构设计方法及加载历史等进行了研究,结果表明偏心支撑结构的塑性变形主要集中于耗能梁段上,框架梁、柱及支撑斜杆基本处于弹性状态,各项抗震性能指标均满足规范要求,且结构整体用钢量大大减小[28-32]。实际工程中梁段上存在着混凝土楼板,为了研究楼板对耗能梁段的影响,Rides[33]对 8 个剪切屈服型耗能梁(6 个带楼板和 2 个不带楼板)进行了循环加载试验,结果表明:8 个试件均通过耗能梁腹板剪切变形耗散能量;楼板的存在使结构的初始刚度和承载力略有增加,延性反之;楼板破坏仅局限于耗能梁段附近。为了提高震后修复受损耗能梁段的效率,可采用可替换耗能梁[34]。Stratan 等[35]通过试验证明了采用端板螺栓连接的可替换耗能梁段偏心支撑钢框架结构的可行性;Nabil Mansour 等[36]通过试验证明采用端板螺栓连接和双槽钢背对背连接等两种方式连接的可替换耗能梁偏心支撑结构均具有较好的抗震性能。为进一步提高耗能梁段的塑性转动能力和结构整体的经济效益,Dubina[37]把高强钢引入到偏心支撑结构体系中来并对单榀框架结构进行了试验研究,结果表明:高强钢偏心支撑结构体系中耗能梁段的塑性变形更加充分,
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第 2 章 偏心支撑钢框架结构设计

2.1 设计条件
参考《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-2015)[4]《,建筑结构抗震设计规范》2016 版(GB 50011-2010)[57], AISC341-16[3]等规范,设计了三个 10 层的偏心支撑钢框架结构算例,包括 Q1 型结构(耗能梁为同截面)、Q2 型结构、Q3 型结构。设计时按照抗震设计烈度为 8 度(0.2g)进行设计,设计地震分组为第二组,III 类场地,基本风压取 0.35kN/m2,基本雪压取 0.30kN/m2,楼(屋)面恒载取 8.25kN/m2,楼(屋)面恒载取 8.25kN/m2。假定结构层高均为 3.9m;纵向和横向跨度 7.8m,横向 5 跨,耗能梁长度均取 1m,其中 e l   0.13,平、立面布置如图 2-1 所示。
图 2-1 平面、立面布置图
图 2-1 平面、立面布置图
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2.2 截面设计及建模
结构设计时,构件均采用 Q235 级钢材。构件截面采用焊接 H 型截面。设计时考虑的荷载组合为:(1)1.3D+1.5L(非地震工况);(2)1.2D+0.6L+1.3E(考虑地震工况)。设计时,根据跨度、荷载条件和建筑使用等要求,依据设计经验初步估计主要构件的截面尺寸。设计采用CSI公司的ETABS软件进行了结构计算和优化。经过多次试算,最终确定原型结构支撑跨各构件的截面尺寸见表 2-1~表 2-3。
表 2-1 Q1 型偏心支撑钢框架构件截面表
表 2-1 Q1 型偏心支撑钢框架构件截面表
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第 3 章 偏心支撑钢框架结构拟静力试验设计............................ 15
3.1 模型设计与制作...................... 15
3.2 材料试验 .................................. 17
第 4 章 偏心支撑钢框架结构拟静力试验结果分析.........................25
4.1 概述 ................................ 25
4.2 试验现象 ................................. 26
第 5 章 偏心支撑钢框架结构拟静力试验数值模拟...................41
5.1 试验模型的建立 ................................. 41
5.1.1 有限元模型 ............................. 41
5.1.2 单元类型及本构关系 ................................. 41

第 6 章 耗能梁长度对结构抗震性能影响参数化分析

6.1 有限元模型建立
本节在试验模型的基础上(有限元模型高度和跨度同试验模型),对耗能梁段长度进行参数化分析,分别取长度为 310mm(e/l=0.103)、390mm(e/l=0.130)、470mm(e/l=0.156)、550mm(e/l=0.183)等四组,采用 ABAQUS 软件建立相应的数值模型(建模细节同 5.1 节),进行循环荷载下的参数化数值分析,基于数值结果,对偏心支撑钢框架结构主要抗震性能指标、耗能机理进行评定和分析,为参数化分析方便,本节的数值模型与 5.1 节模型略有区别,具体为:
1)偏心支撑钢框架结构拟静力试验时,为了加载方便,将框架柱向上伸长 600mm形成短的加载柱。本节参数化分析时,其目的是对比不同耗能梁长度下结构响应,加载柱并非本分析的主要关注对象且试验过程中始终处于弹性状态,因此建立有限元分析模型时并未将框架柱向上伸长,而是直接将荷载同时施加在两侧梁柱节点域上。
2)5.1 节钢材的本构关系按实测值给出(见表 3-3),本节为简化分析,选用的应力~应变关系如图 6-1 所示。有限元分析时采用位移加载方式,同时为了避免不同加载方式对 Q1 型结构、Q2 型结构和 Q3 型结构产生影响,3 个模型采用相同的加载方式,加载至 40mm(层间位移角为 1/37.1)时,停止分析,具体的加载方式见图 6-1。
图 6-1 应力~应变关系 图 6-2 加载方式示意图
图 6-1 应力~应变关系 图 6-2 加载方式示意图

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结论


偏心支撑钢框架结构是一种具有较优的抗震性能的结构体系,但由于种种原因,在我国工程应用较少。为了更好地发挥偏心支撑钢框架结构优良的抗震性能,推广该体系在高烈度地震区的应用,本文以 K 形偏心支撑框架为研究对象,对其抗震性能进行了研究,主要工作及结论如下:1)采取削弱耗能梁段截面尺寸思路,提出了 2 种剪切屈服型偏心支撑钢框架结构(Q2 型、Q3 型)耗能梁段的设计理念。
2)以《抗规》和《高钢规》及相关规范为依据,设计了三个 10 层 K 形偏心支撑框架结构,对结构动力特性、用钢量、结构内力、层间位移进行了对比分析。相比传统的偏心支撑钢框架结构,本文提出的 2 种偏心支撑钢框架结构用钢量降低,而层间位移角、自振特性相差不多。
3) 以(2)中 10 层结构为原型,取其第 8 层支撑跨按照 1:2.6 制作了 3 个缩尺模型,完成了拟静力试验。总体上,3 个试验模型均具有足够的承载能力和耗能能力,其抗震性能可以满足我国抗震规范的相关要求。Q1 型试验模型的弹性刚度、屈服荷载、极限荷载、耗能能力要略大于 Q2、Q3 型试验模型,且 Q2、Q3 型试验模型的承载能力、变形能力、耗能能力类似。相对而言,Q3 型试验模型中耗能梁到加载后期翼缘出现局部屈曲,故其耗能机制较为复杂。4)基于 ABAQUS 软件,对 3 个试验模型进行了数值模拟。总体上,数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,这表明可以采用数值方法(壳单元)开展偏心支撑钢框架结构的抗震性能研究。
5)为了分析不同耗能梁长度对 Q1、Q2、Q3 型结构的影响,基于(4)有限元建模的基础上建立相应数值模型,定性和定量分析了耗能梁长度对结构抗震性能的影响,并给出了关于耗能梁长度设计建议,即实际工程中建议耗能梁长度 e/l 的取值应在 0.103~0.130 之间。
参考文献(略)


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