偏心支撑结构在现代钢结构应用的试验与理论研究

论文摘要

本文根据“利用两个或多个耗能元件协同工作,同时耗能”的设计思路,提出一种新型的框架支撑形式—耗能器偏心支撑,即在偏心支撑斜杆上设置一种摩擦型耗能器。同时,还针对传统梁柱连接节点加强措施存在的不足,提出了用于单斜杆偏心支撑结构的剪切型耗能梁段与柱连接节点的新型改进加盖板方案。本文采用Q235B钢制作了三榀偏心支撑结构试件,并进行了拟静力试验研究。同时采用ANSYS有限元分析程序对偏心支撑结构试件进行了有限元分析,并分析了各截面参数对构件性能的影响。具体完成了如下工作:1)进行了三榀单斜杆偏心支撑框架结构的1/3缩尺试验方案设计和拟静力试验。主要研究耗能器偏心支撑结构及新型改进加盖板方案用于单斜杆偏心支撑结构在循环荷载作用下的破坏机理和抗震性能,并与传统的剪切型耗能梁段与柱直接相连的单斜杆偏心支撑结构试件在循环荷载作用下的破坏机理和抗震性能相比较,分析了本文提出的两种新型偏心支撑结构的抗震耗能能力和承载力。2)运用ANSYS分析程序建立框架的有限元模型,系统地分析了上述三榀1/3缩尺试验中的偏心支撑结构试件在单向加载和循环荷载两种加载方式作用下的破坏机理和抗震性能,得到偏心支撑框架的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等一系列相关结果,研究了本文提出的两种新型偏心支撑结构的抗震耗能能力和承载力。3)将三榀试件的有限元分析结果与试验结果对比,两者吻合较好,验证了有限元分析的精度和正确性。4)改变两种新型偏心支撑结构的相关参数,利用ANSYS分析程序建立有限元分析模型,研究了不同参数对两种新型偏心支撑结构耗能能力的影响,并提出两种新型偏心支撑结构的改进措施。综合试验和有限元分析的结果,本文研究主要得到以下结论:1)新型改进加盖板方案中A段的设置,可以避免剪切铰和弯曲铰在柱边形成,使耗能梁段的剪切破坏远离钢柱翼缘,从而也可以放松钢柱对耗能梁段的约束,并避免在钢柱翼缘处产生层状撕裂,减少震后修复工作量,达到新型节点方案的设计目的。2)只有在满足耗能梁段与节点加强域(A段)的长度之和≤1.6M_p/V_p的前提条件下,新型改进加盖板方案用于单斜杆偏心支撑结构的剪切型耗能梁段与柱连接节点中,才会表现出较好的抗震耗能能力。3)新型改进加盖板方案中盖板厚度的改变对单斜杆偏心支撑结构的刚度几乎没有影响,将盖板加厚对试件承载力和耗能能力的影响不大;梁柱连接板厚度的加厚、在A段增设加劲肋、A段长度适当减小等措施可以使耗能梁段的屈服远离钢柱翼缘,可以明显提高试件的耗能能力。4)单斜杆耗能器偏心支撑结构:由于支撑斜杆上设置了耗能器,相当于在支撑斜杆上设置了一个薄弱部位,在地震荷载下耗能梁段进入塑性以后,耗能器可以产生滑移耗散一部分地震能量,和耗能梁段一起构成两个耗能元件,增加了试件的延性,减少了耗能梁段吸收的能量和转动变形,减轻了耗能梁段的破坏程度,起到了“双保险”的作用,可以达到减少结构地震反应的目的。5)在弹性阶段,耗能器偏心支撑试件中的耗能器不产生滑移,以支撑作为加强框架侧移刚度的手段,在耗能梁段进入屈服以后,耗能器产生滑移,依靠摩擦耗散地震能量。6)耗能器偏心支撑结构中的耗能器刚度加大以后,增强了单斜杆偏心支撑结构的刚度,承载力略有提高,耗能梁段的转角明显增大,柱顶位移明显减小,但是试件最终还是因为耗能器的平面外失稳而失去承载力,因而在耗能器偏心支撑结构中的设计中,可以将耗能器刚度适当加大,并在C段采取一定的加强措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 土木工程结构耗能减振装置的研究与应用
• 1.1.1 粘滞耗能器
• 1.1.2 粘弹性耗能器
• 1.1.3 摩擦耗能器
• 1.1.4 金属屈服耗能器
• 1.1.5 调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液动阻尼器（TLD）
• 1.1.6 主动控制
• 1.1.7 半主动控制
• 1.1.8 混合控制
• 1.1.9 偏心支撑结构的耗能梁段
• 1.1.10 土木工程中常用耗能器的综合比较
• 1.2 偏心支撑框架结构体系产生的背景
• 1.3 偏心支撑框架结构体系的性能
• 1.3.1 偏心支撑框架结构体系的强度和刚度
• 1.3.2 耗能梁段的内力分布
• 1.3.3 偏心支撑结构体系的耗能机构
• 1.4 偏心支撑钢框架体系的研究状况
• 1.4.1 偏心支撑钢框架体系（EBF）国外研究状况
• 1.4.2 偏心支撑钢框架体系（EBF）国内研究状况
• 1.4.3 偏心支撑结构体系研究不足之处
• 1.5 本文的研究内容
• 2. 偏心支撑钢框架体系（EBF）的试验研究
• 2.1 偏心支撑结构的试验方案设计
• 2.1.1 计算榀EBF结构的梁柱截面尺寸选择
• 2.1.2 试验试件的设计
• 2.1.3 试件设计中存在的问题
• 2.1.4 本试验方案中单榀两层偏心支撑钢框架的极限承载力的近似计算
• 2.2 加荷方式及试验装置
• 2.2.1 测试内容及测点布置
• 2.3 材性试验
• 2.3.1 钢材母材试样描述
• 2.3.2 单向拉伸材性试验结果
• 2.3.3 连接接触面的抗滑移系数试验
• 2.4 摩擦型耗能器的起始滑动摩擦力试验
• 2.4.1 M20摩擦型高强螺栓的扭矩系数试验
• 2.4.2 测定摩擦型耗能器起始滑动摩擦力的试验装置
• 2.4.3 摩擦型耗能器的起始滑动摩擦力试验结果
• 2.5 偏心支撑结构体系在循环荷载作用下的滞回性能试验研究
• 2.5.1 试验目的
• 2.5.2 试验步骤
• 2.5.3 试件初始缺陷
• 2.5.4 试验现象
• 2.6 试验结果分析
• 2.6.1 柱顶的P-Δ滞回性能
• 2.6.2 顶层耗能梁段的P-θ滞回曲线
• 2.6.3 骨架曲线
• 2.6.4 刚度退化曲线
• 2.6.5 试验误差原因
• 2.7 本章小结
• 3. 偏心支撑结构的非线性有限元分析
• 3.1 非线性有限元理论基础
• 3.1.1 有限变形的U.L.格式
• 3.1.2 弹塑性强化本构关系
• 3.1.3 接触问题
• 3.2 ANSYS有限元模型的建立
• 3.2.1 单元类型
• 3.2.2 材料特性
• 3.2.3 摩擦耗能器的模拟
• 3.2.4 单元网格划分
• 3.2.5 求解设定
• 3.2.6 破坏准则
• 3.2.7 有助于计算收敛的分析技巧
• 3.3 有限元计算结果分析
• 3.3.1 D-G1试件
• 3.3.2 D-G2试件
• 3.3.3 D-G3试件
• 3.3.4 三榀试件受力性能的综合比较
• 3.4 本章小结
• 4. 试验结果与有限元分析结果的比较
• 4.1 试验结果与有限元分析结果比较
• 4.2 循环加载方式下的P-Δ滞回曲线对比
• 4.3 循环加载方式下耗能梁段的P-θ滞回曲线对比
• 4.4 骨架曲线对比
• 4.5 刚度退化曲线对比
• 4.6 有限元分析结果和试验结果的误差分析
• 4.7 本章小结
• 5. 各种参数对两种新型偏心支撑结构的影响
• 5.1 新型改进加盖板方案用于单斜杆偏心支撑结构的剪切型耗能梁段与柱连接节点研究
• 5.1.1 A段盖板厚度的影响
• 5.1.2 A段梁柱连接板（A段腹板）厚度的影响
• 5.1.3 A段盖板、连接板厚度的共同影响
• 5.1.4 A段增设加劲肋的影响
• 5.1.5 耗能梁段长度和A段长度共同改变的影响
• 5.1.6 一层非耗能梁段采取加强措施的影响
• 5.2 单斜杆耗能器偏心支撑结构
• 5.2.1 耗能器刚度的影响
• 5.2.2 一层非耗能梁段C段处采取加强措施的影响
• 5.3 本章小结
• 6.结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 设计和施工建议
• 6.3 尚待研究的问题
• 附录A. 攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况
• 致谢