高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构抗震性能与设计方法研究

发布时间：2018-03-20 09:31

本文选题：高强钢　切入点：偏心支撑钢框架　出处：《西安建筑科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：高强钢组合偏心支撑结构是指耗能连梁采用普通钢材(如Q345),而非耗能构件——框架梁、柱采用高强度钢材的结构体系。偏心支撑钢框架设计理念为利用耗能连梁的弹塑性变形消耗地震能量,大震作用下非耗能构件基本保持弹性,能为耗能连梁的塑性变形提供足够的约束。高强度钢材应用于偏心支撑钢框架中的非耗能构件,可以有效降低构件截面尺寸、节约钢材、降低造价。高强钢组合偏心支撑结构体系有助于高强钢在抗震设防地区的应用推广。为了研究高强钢组合偏心支撑钢框架的抗震性能,本文进行了以下研究工作:(1)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循环加载试验研究,耗能连梁均为剪切屈服型。试验研究表明:高强钢组合偏心支撑结构具有较高的承载力、抗侧刚度,良好的耗能能力和位移延性。二层耗能连梁腹板受剪撕裂是试件破坏的标志,耗能连梁作为主要耗能构件发挥了耗能作用,试件破坏时,高强钢构件基本处于弹性受力状态,易于震后修复工作。(2)利用ANSYS建立了试验模型的精细化模型:钢构件采用全壳单元,混凝土楼板采用实体单元,精细化模型与试验拟合良好;通过定义耗能连梁的非线性剪切铰属性,建立了SAP2000简化计算模型,通过试验数据、精细化模型的推覆曲线与简化计算模型的Pushover曲线对比,说明了简化计算模型的可行性。(3)依据结构力学基本方法,给出了K形偏心支撑钢框架在侧向力作用下的支撑轴力和耗能连梁剪力表达式,将偏心支撑结构的侧向位移拆分为四部分:支撑轴向变形引起的侧移;横梁轴向变形引起的侧移;耗能连梁剪切变形引起的侧移;耗能连梁弯曲变形引起的侧移,利用小变形假定和胡克定律,推导出了K形偏心支撑钢框架的弹性抗侧刚度。通过偏心支撑的内力分析,给出了支撑轴力的近似计算公式。(4)K形偏心支撑钢框架的屈服位移与支撑、框架柱的材性性能,支撑角度以及结构高跨比有关。依据K形偏心支撑钢框架的整体理想失效模式,罕遇地震作用下的层剪力分布状态以及基底剪力,对K形偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(Performance-based seismic design,简称PBSD)进行了深入研究。依据PBSD方法设计了试验原型结构。(5)依据PBSD方法,设计了四组(5层、10层、15层以及20层)K形偏心支撑算例,每组算例包括普通钢偏心支撑(材料均为Q345),Q460钢组合偏心支撑(耗能连梁与支撑采用Q345,其余构件为Q460)以及Q690钢组合偏心支撑(耗能连梁与支撑采用Q345,其余构件为Q690),利用SAP2000对算例进行了Pushover分析和罕遇地震水准下的动力弹塑性分析,对比分析高强钢组合偏心支撑与传统普通钢偏心支撑的承载能力、抗侧刚度、延性指标以及大震作用下层间侧移分布和破坏模式。分析结果表明:相同设计条件下高强钢组合偏心支撑与普通钢偏心支撑具有接近的承载能力,但抗侧刚度和延性略低,基于性能的抗震设计方法能够保证高强钢组合偏心支撑和传统偏心支撑在大震作用下产生相同的破坏模式和层间侧移分布。高强钢组合偏心支撑结构可以节省约15%-25%的钢材,具有良好的经济效益。
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【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU391;TU352.11

【参考文献】