屈曲约束支撑的动力性能研究及其在钢拱结构中的应用

论文摘要

屈曲约束支撑在轴压荷载作用下屈服而不屈曲,具有良好的滞回性能和耗能特性,已在不少工程中应用,是一种很具有发展潜力的耗能减震元件,具有良好的发展应用前景。但屈曲约束支撑的核心技术属私人所有,且国外核心构件一般采用极低屈服点钢材,这种钢材在我国尚未大量生产。本文基于屈曲约束支撑的基本原理,结合我国国情,采用国产钢材作为支撑构件,基于经典理论对屈曲约束支撑构件研究了其静力和动力性能,进行了6个构件的模型试验,验证了相应的理论,同时采用ANSYS软件进行数值模拟,探讨了相关参数的影响,最后提出在大跨度钢拱和网壳结构中采用,分析了此类结构的减震效果。研究结果表明,本文提出的新型屈曲约束支撑具有良好的力学性能,可直接用于实际工程,同时带有屈曲约束支撑的大跨度钢拱和网壳结构较常规的同类结构具有明显的减震效果,提高了大跨度结构的安全度。本文主要进行了以下工作:(1)基于屈曲约束支撑的基本原理,提出新型的纯钢型支撑型式,推导了多点支承型和连续支承型屈曲约束支撑整体稳定承载力计算公式,得到了对侧向支承的数量及刚度限值;利用MATLAB软件分析了加强区的刚度和长度对内核构件临界荷载的影响,给出了初始几何缺陷、宽厚比、长细比、支座条件对其稳定性的影响公式。(2)首次进行了屈曲约束支撑的动力稳定性研究,分析了不同类型屈曲约束支撑的动力稳定性、耗能能力和纵向振动性能,得到侧向支承的刚度及动力稳定性相关的结论。(3)进行不同类型的构件的试验研究,提出带圆弧翼缘十字板式和双管式纯钢型屈曲约束支撑型式,进行模型试验。研究了构件的滞回性能与单向加载时的力学性能,试验结果表明,连续支承型屈曲约束支撑具有较好的耗能能力。同时,在本试验中,也对混凝土屈曲约束支撑进行了对比试验分析,结果表明,连续支承能够增强构件的耗能能力。(4)利用ANSYS有限元软件,对带圆弧翼缘十字式和双管式纯钢型屈曲约束支撑进行数值模拟,验证该元件的力学性能,表明理论分析与试验研究结果规律相同。此外,通过ANSYS进行大量参数分析,探讨了侧向支承的数量、外包构件的刚度、加强区的刚度、宽厚比、长细比等参数的影响。计算结果表明,侧向支承的数量及外包构件与内核构件的刚度比是影响屈曲约束支撑临界承载力的关键因素。(5)提出在大跨度钢拱结构中采用屈曲约束支撑的减震体系,计算了大跨度钢拱结构在三维地震激励下,在不同布置方式时结构的地震响应,分析了不同的抗震设防烈度、不同的地震波输入、矢跨比变化对减震效果的影响;考察了结构在不同长宽比、不同支承条件、是否有无下部结构等参数变化对减震效果的影响。计算结果表明,当屈曲约束支撑为混合布置时,恰当地选择钢拱结构的矢跨比,减震效果最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 屈曲约束支撑发展及研究现状
• 1.3 本文研究的内容
• 第2章 屈曲约束支撑的静力性能分析
• 2.1 屈曲约束支撑的受力特性
• 2.2 整体稳定承载力分析
• 2.3 外包构件的刚度条件
• 2.4 影响屈曲约束支撑静力承载力的因素分析
• 2.4.1 几何尺寸的影响
• 2.4.2 材料性能的影响
• 2.4.3 支座条件的影响
• 第3章 屈曲约束支撑的动力性能分析
• 3.1 屈曲约束支撑的动力稳定性
• 3.1.1 两端铰支杆的动力稳定性分析
• 3.1.2 具有多点弹性支承的两端铰支杆件的动力稳定性分析
• 3.1.3 弹性介质中两端铰支杆件的动力稳定性分析
• 3.2 屈曲约束支撑的耗能能力分析
• 3.3 屈曲约束支撑的纵向振动分析
• 3.3.1 两端铰支杆的纵向振动分析
• 3.3.2 具有多点弹性支承的两端铰支杆件的纵向振动分析
• 3.3.3 弹性介质中两端铰支杆件的纵向振动分析
• 第4章 屈曲约束支撑的试验研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验概况
• 4.2.1 试验构件参数
• 4.2.2 试验方案
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 单向加载分析
• 4.3.2 滞回性能分析
• 4.3.3 内核构件的变形
• 4.4 小结
• 第5章 屈曲约束支撑的有限元计算
• 5.1 前言
• 5.2 计算理论
• 5.2.1 非线性理论
• 5.2.2 求解方法
• 5.3 单元选取
• 5.4 纯钢型屈曲约束支撑计算结果分析
• 5.4.1 有限元模型
• 5.4.2 影响因素分析
• 5.5 混凝土型屈曲约束支撑计算结果分析
• 5.5.1 有限元模型
• 5.5.2 影响因素分析
• 5.6 计算采用的屈曲约束支撑荷载-位移曲线
• 5.7 小结
• 第6章 大跨钢拱结构被动控制设计及应用分析
• 6.1 前言
• 6.2 屈曲约束支撑的被动控制设计原理
• 6.3 屈曲约束支撑在大跨钢拱结构中的减振效果分析
• 6.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文