腹板连接型可替换耗能连接偏心支撑钢框架抗震性能研究

发布时间：2020-07-17 16:33

【摘要】：偏心支撑钢框架结构具有抗侧刚度大、延性好等优点,被广泛应用到多高层建筑中。但这种结构体系存在如下缺点:(1)耗能连接件作为框架梁的一部分,发生罕遇地震之后对耗能连接件的修复及替换比较困难;(2)多遇地震产生的弹塑性变形的累积效应无法预知,增加了后期震害损伤程度的评估难度。针对偏心支撑钢框架的上述缺点,本文提出了腹板连接型可替换耗能连接偏心支撑钢框架结构。该结构中将耗能连接与框架梁分离设计,并通过高强螺栓进行连接;同时将传统的偏心支撑替换成带接触环的双钢管约束屈曲支撑。分离式结构体系具有如下优点:(1)在保证框架梁截面尺寸不变的情况下,耗能连接的截面尺寸与长度有更大的选择空间;(2)罕遇地震之后产生的非弹性变形集中在耗能连接上,保证框架中其余构件的安全性,降低了后期安全性评估的难度;(3)通过高强螺栓将耗能连接与框架梁拼接在一起,方便了灾害之后对耗能连接的替换。综上,腹板连接型可替换耗能连接偏心支撑钢框架对于实现建筑装配化、结构安全性评估及灾后加固具有重要意义。本文通过有限元软件ABAQUS建立模型,并给模型施加单调及循环荷载,利用得到的荷载-位移曲线,分析加劲肋间距、截面尺寸、耗能连接长度等参数对于耗能能力、承载力、刚度等力学性能的影响。随后,通过对1/3缩尺模型的框架进行试验研究,对试验得到的滞回曲线、应力分布及变形情况进行分析。结合有限元分析结果及试验结果进行了以下研究:(1)建立了25榀腹板连接型可替换耗能连接偏心支撑钢框架有限元模型。在单调荷载作用下,对影响框架力学性能的加劲肋间距、截面尺寸、耗能连接长度等因素进行了相关研究。(2)对有限元模型在循环荷载作用下进行分析,利用得到的荷载-位移曲线,分析加劲肋间距、截面尺寸、耗能连接长度等参数对于耗能能力、承载力、刚度及塑性转角等力学性能的影响,研究发现该框架结构具有耗能能力良好、抗侧刚度大、塑性变形能力好等优点。(3)在有限元分析的基础上对10个可替换耗能连接在3榀框架上进行替换试验,通过给框架施加循环荷载,得到了框架的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线及应力分布和变形情况,发现偏心支撑框架的滞回曲线饱满,抗震性能良好;框架中只有耗能连接发生塑性变形,框架中其余构件均处在弹性阶段,实现了耗能连接的可替换性。(4)将试验结果与有限元分析结果进行对比,发现两者吻合度较高,滞回曲线形状比较相近,通过应力分析及变形情况得到的破坏模式相同,可替换耗能连接可以有效的控制整体框架的强度、刚度,起到保险丝的作用,说明利用有限元进行框架模拟具有可行性。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TU352.11
【图文】：

破坏模式,脆性破坏,大地震

钢结构具有强度高、塑性和韧性好、质量轻、便于装配化生产等优点，是新型结构最佳选择[1]。但钢结构存在容易发生脆性破坏、稳定性差、耐火性差等不足，受到广科研人员的日益关注。发生于 1994 年的洛杉矶大地震及 1995 年的神户大地震，数以百计的钢结构建筑出不同程度的破坏，破坏模式总结为以下几点：（1）焊接框架节点的脆性破坏；（2子的脆性断裂；（3）柱脚的破坏等[2]，见图 1.1。其中洛杉矶大地震中梁柱节点的脆破坏位于框架梁的下翼缘处，破坏主要是由焊脚处发生了脆性破坏裂纹所引起的；神大地震中梁柱节点的脆性破坏主要发生在切角工艺口周围，见图 1.2。造成上述破坏主要原因如下：（1）设计不合理引起的破坏，例如在沿框架柱的强轴方向未设置加劲，引起节点的破坏；（2）焊接不符合规范要求所引起的破坏，例如未做剖口处理导致件被轻松拉开，点焊引起热影响区在外力作用下产生裂缝及焊接垫板不全导致的破坏3）钢结构锈蚀导致的结构破坏。针对上述破坏模式，科技工作者尝试各种办法对旧的构进行改进，以应对各种突如其来的地震灾害。例如，在前期设计中将容易发生破坏部位预留出来，通过替换损坏构件，达到后期快速加固的目的；对于容易发生脆性破的焊接框架节点，特意将梁柱节点中的框架梁翼缘放大或设计成狗骨式。

偏心支撑

a）工程实例图 1.3 K1.2.2 偏心支撑钢框架的研究现状Fujimoto（1972）对中心支撑钢框架进行并进行了理论分析和试验研究，试验结果表支撑的设置对框架梁起到保护作用，最终的AKJain（1980）对偏心支撑的抗震性能能的主要因素，并提出了根据支撑的约束情Popov（1983）对中心支撑与偏心支撑进性能基本相同；但在非弹性阶段，偏心支撑效之后，整个结构的承载力出现下降，说明变形能力[8]。Hjelmstad（1984）通过对偏心支撑钢框小钢材用量的条件下可以获得与其余框架相构件均处于弹性阶段，说明偏心支撑具有良

滞回曲线,破坏模式,试件

图 1.5 试件的破坏模式图 1.6 滞回曲线2.3 约束屈曲支撑的研究现状Wakabayashi（1973）将普通支撑埋置在钢筋混凝土板内，首次提出了约束屈曲支念并进行了试验分析，开始了约束屈曲支撑的研究历程。随后几年，各国学者通通支撑的内部材料、约束单元做了大量研究，提出了多种不同构造形式的约束屈[26]。Kimura（1976）通过将普通支撑放置在浇筑满混凝土的矩形钢管内，研究影响支的因素，试验发现混凝土强度对支撑的约束尤为重要，但这一设计方法使得支撑尺寸增大，无法满足构造措施[27]。Mochizuki（1980）通过将型钢混凝土包裹在支撑的外层，并在支撑与混凝土之间于消除摩擦的涂层，达到减小支撑与混凝土之间摩擦力的作用，通过混凝土限制平面外稳定性，试验取得了良好的效果。但是这一设计思路使得支撑自重增大，在高层结构的推广[28]。Fahnestock（2003）通过非线性时程分析方法，对 4 榀约束屈曲支撑钢框架的抗进行研究，发现延性对于约束屈曲支撑的抗震性能影响巨大[29]。

【参考文献】