设有防屈曲支撑的钢框架结构抗震优化设计

论文摘要

框架—支撑是一种双重抗侧力结构体系。它具有两道抗侧力防线，支撑部分为其第一道防线，框架部分为其第二道防线，抗侧刚度大，抗震性能优越，一般在钢结构中应用较为广泛。但是，由于传统支撑的长细比较大，在受压时易失稳，尤其在地震荷载的作用下，起不到良好的抗侧性能。防屈曲支撑是对传统支撑的改进，其不但克服了支撑在受压时易屈曲的缺点，而且具有在支撑受压受拉时都可以达到全截面屈服的特点，拥有良好的滞回性能，在地震荷载作用下可以消耗大量的地震能量，从而有效地保护了主体结构的安全。目前，在防屈曲支撑构件设计方面的研究已经成熟，并且国外尤其是日本、美国已经大量的应用到实际工程中。在我国，针对支撑构件方面的研究已经开展。但是，在设有防屈曲支撑框架设计方面的研究相对较少，以往的研究主要是将该种结构体系分开设计，通过支撑与框架的抗侧刚度比将其分别进行设计，再通过模态分析、振型分解反应谱分析、动力时程分析、Pushover分析等来校核结构体系，通过调整结构的尺寸等参数直到体系层间位移满足规范要求。然而，目前已有的研究，通常是将框架部分先做强，这样一般设计出来的结构容易满足规范的要求，对结构体系不满足规范要求后的结构体系的调整研究则甚少，本文针对这方面的不足进行了本课题的研究。一般通过支撑与框架的抗侧刚度比对结构体系进行设计，当初步设计的结构体系不满足规范要求的，通常是对整个结构体系进行调整，先调整框架部分，再根据抗侧刚度比来调整支撑部分，通过不断的调整来使结构体系满足规范要求。这样的调整相当繁琐，效力比较低。在用防屈曲支撑对已有框架进行加固时，一般只能进行调整支撑部分来使其满足规范要求，但是设计人员在调整时也只能带有尝试性地增加截面尺寸，通过不断的调整来使结构体系符合规范的要求，工作量大、过程也相当繁琐。对此，本文基于规范对双重结构体系中框架的剪力分担率25%以上的要求，通过先确定钢框架与支撑层间剪力分担率对结构体系进行设计，并对初步设计的结构体系应用ABAQUS有限元软件进行动力时程分析，针对框架-支撑结构体系层间位移不符合国家规范要求的框架—支撑进行优化设计方案研究，提出优化方法以及优化参数，使得结构体系可以一次性调整好满足规范要求，为广大设计人员提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 传统抗震思路
• 1.2.2 基于性能抗震设计思路
• 1.2.3 结构减震控制思路
• 1.3 防屈曲支撑
• 1.3.1 防屈曲支撑的构造
• 1.3.2 防屈曲支撑的基本原理
• 1.3.3 防屈曲支撑的国内外研究现状
• 1.3.4 设有防屈曲支撑框架的国内外研究现状
• 1.3.5 设有防屈曲支撑框架设计方法研究状况
• 1.3.6 防屈曲支撑工程中的运用
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 有限元基本理论
• 2.1 有限元法的分析步骤
• 2.2 非线性有限元的分析方法
• 2.2.1 单元分析
• 2.2.2 整体分析
• 2.2.3 求解非线性方程组
• 2.3 非线性方程组的求解方法
• 2.3.1 增量法（逐步法）
• 2.3.2 迭代法（总荷载法）
• 2.3.3 混合法（增量迭代法）
• 2.4 ABAQUS 有限元分析简介
• 2.4.1 梁单元简介
• 2.4.2 ABAQUS/Standard 的非线性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 防屈曲支撑节点试验
• 3.1 试验目的
• 3.2 试件设计
• 3.3 试件制作
• 3.4 试验方案
• 3.5 实验装置
• 3.6 测试结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 设有防屈曲支撑钢框架模型设计
• 4.1 概述
• 4.2 框架部分设计
• 4.2.1 框架模型
• 4.2.2 框架设计参数
• 4.2.3 框架设计计算
• 4.2.3.1 框架部分水平分担地震荷载实现的理论
• 4.2.3.2 框架部分水平分担地震荷载在 MTS 设计中实现
• 4.2.4 设计结果
• 4.3 支撑部分设计
• 4.3.1 防屈曲支撑参数确定
• 4.3.2. 防屈曲支撑等效刚度
• 4.3.3 防屈曲支撑计算
• 4.3.4 防屈曲支撑等效截面计算
• 4.3.5 防屈曲支撑设计计算结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 设有防屈曲支撑钢框架动力时程分析
• 5.1 概述
• 5.2 动力时程分析简介
• 5.3 有限模型建立
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 边界约束条件
• 5.3.3 模型材料本构关系
• 5.3.4 重力荷载施加
• 5.3.5 模型材料阻尼定义
• 5.4 地震波选取
• 5.4.1 地震波的选择
• 5.4.2 地震波的调整
• 5.4.3 地震波确定
• 5.5 框架模型的模态分析
• 5.6 初步设计模型层间位移反应
• 5.6.1 初步设计模型层间相对位移反应
• 5.6.2 模型顶层中心点绝对加速度反应
• 5.6.3 初步设计模型层间最大侧移曲线
• 5.7 模型优化
• 5.7.1 模型优化方案
• 5.7.2 支撑部分优化
• 5.7.3 框架—支撑结构体系优化
• 5.7.4 优化好后模型层间相对位移时程曲线对比图
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢