功能自恢复连梁抗震性能研究

发布时间：2020-07-24 14:22

【摘要】：本文介绍了可更换连梁概念与原理,总结了国内外金属耗能型、摩擦耗能型、黏弹性耗能型等不同类型和构造可更换连梁的研究与应用进展,突破以可更换为代价实现结构功能可恢复的思路,提出“功能自恢复结构”(Self-Resilient Structure,SR-S)概念,达到震后无需更换而功能即可自行恢复的目标。设计了一种功能自恢复连梁(SelfResilient Coupling Beam,SR-CB),解决了剪力墙结构体系存在的根本性抗震问题,介绍了功能自恢复连梁的构造、原理及特点。设计了14组不同参数的铅黏弹性连梁阻尼器(Lead Viscoelastic Coupling Beam Damper,LVCBD),采用ABAQUS有限元软件对其进行分析,研究铅芯边距、铅芯直径、剪切钢板与约束钢板厚度比、复合黏弹性层中薄钢板与黏弹性层厚度比、剪切模量以及钢材类型对其力学性能的影响,并给出各设计参数的取值建议。建议铅芯对称布置在复合黏弹性层外侧,铅芯边距取1~1.5倍的铅芯直径;铅芯直径根据阻尼器需求屈服承载力确定;剪切钢板与约束钢板厚度比取1.00~2.00,且剪切钢板厚度宜取0.8倍的复合黏弹性层厚度;薄钢板与黏弹性层厚度比取0.4~0.8,且优先取较小值;选用低硬度的黏弹性材料以使阻尼器获得较好的耗能效果;采用Q345钢材以保证阻尼器正常工作,发挥其稳定的耗能能力。铅黏弹性连梁阻尼器在工程应用中实际受到剪力、轴力、弯矩及其组合等复杂受力的作用,采用数值仿真分析方法对轴压-剪切、轴拉-剪切、正向弯曲-剪切、负向弯曲-剪切、轴压-正向弯曲-剪切、轴压-负向弯曲-剪切、轴拉-正向弯曲-剪切以及轴拉-负向弯曲-剪切8种复杂受力状态下铅黏弹性连梁阻尼器的性能进行分析,研究复杂受力状态下铅黏弹性连梁阻尼器的力学性能。结果表明,轴力作用对铅黏弹性连梁阻尼器的力学性能影响不大,弯矩作用主要影响铅黏弹性连梁阻尼器的屈服位移和屈服荷载;纯剪切受力与复杂受力条件下,铅黏弹性连梁阻尼器的滞回曲线基本重合,最大阻尼力和等效黏滞阻尼比基本不变,不影响阻尼器的耗能和应力分布。功能自恢复连梁耗能梁段(LVCBD)与非耗能梁段(RC梁)两者之间合理的刚度匹配是确保连梁有效发挥其作用的关键。设计了10组不同刚度比的功能自恢复连梁,采用ABAQUS有限元软件对其进行精细化数值仿真分析,明确刚度比对功能自恢复连梁力学性能的影响及规律,揭示其协同变形机制、受力机理和耗能原理,给出刚度比的合理取值建议范围为5~15之间。从工程应用的角度推导了功能自恢复连梁的理论计算公式,给出连接的验算要求,并将理论计算结果与有限元模拟分析结果进行对比,验证了理论计算公式的合理性和可靠性;最后总结了功能自恢复连梁基本设计流程,建立功能自恢复连梁基于承载力需求的等刚度设计方法。针对高烈度区某高层框架-核心筒结构弹性层间位移角不满足规范要求,采用功能自恢复连梁进行消能减震设计。分别通过ETABS和Perform-3D软件对原结构和减震结构进行多遇地震下的弹性时程分析和罕遇地震下的弹塑性时程分析,对比结构减震前后的地震响应并分析阻尼器的耗能表现。结果表明,铅黏弹性连梁阻尼器用于框架-核心筒结构中可有效提高整体结构的抗震性能,并能减缓或避免主体结构构件的塑性破坏,发挥连梁第一道防线的作用,保护主体结构的安全。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11
【图文】：

连梁,阻尼器,长条

滕军等[12],[13]提出一种在低屈服点钢板上开长条形孔的连梁阻尼器方案，其构造如图1-3所示。对 12 组连梁阻尼器分别进行低周往复加载试验和拟动力子结构试验，结果表明该连梁阻尼器滞回环饱满，耗能效果较好，但存在平面外失稳的问题。孔子昂等[14]提出一种带缝钢板阻尼器连梁构造，对三幢框架剪力墙结构进行非线性时程分析，结果表明该连梁构造对结构地震响应具有良好的控制效果和耗能能力，同时对一片 18 层框架剪力墙结构的 1/3 缩尺试件进行拟动力试验，验证其抗震性能。王涛等[15]提出一种采用叠层三角形开孔钢板的连梁阻尼器方案，对带有该连梁阻尼器的剪力墙试件进行低周往复加载试验，结果表明带有该连梁阻尼器的剪力墙结构较普通联肢剪力墙结构具有较为显著的耗能能力

照片,连梁,可更换,照片

[25]对 12 个 3/5 缩尺的剪切屈服型钢连梁阻尼器试件进行低周往复加载试验，研究不同参数对其抗震性能的影响，图1-5为可更换钢连梁试验照片。对分别采用端板-抗剪键连接、拼接板连接、腹板-螺栓连接、腹板-结构胶连接的 4 种不同的耗能梁段与非耗能梁段连接方式的 4个连梁试件进行低周往复加载试验[26],[27]，结果表明采用端板-抗剪键连接的试件塑性变形和损伤集中在耗能梁段，耗能能力稳定，耗能梁段耗能占总耗能 90%，且该连接方式传力可靠，设计简单。中国西安一幢 29 层的住宅公寓应用采用了该类型的可更换连梁[28]。邓志恒等[29]对 8 个钢桁架连梁试件进行低周往复加载试验，研究其破坏特点，力学特性以及桁架节点形式，验证了其结构的合理性。林倩、邓志恒等对新型钢桁架连梁足尺试件进行低周往复加载试验和有限元分析[30]以及对设置全钢桁架连梁和设置钢筋混凝土、钢桁架混合连梁的双层联肢剪力墙平面结构进行了拟动力试验和低周往复加载试验[31]，结果表明该钢桁架连梁滞回曲线饱满，承载力和延性均较高，等效黏滞阻尼系数远大于普通 RC 连梁

阻尼器,钢管,连梁,足尺试件

钢管铅阻尼器

【参考文献】