底部带屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构研究

发布时间：2017-09-11 03:00

  本文关键词：底部带屈曲约束支撑的摇摆墙框架结构研究

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【摘要】：屈曲约束支撑(Buckling-restrained Brace, BRB)是一种具有良好耗能能力的减震元件,但是由于其屈服后刚度较低,屈曲约束支撑框架在地震作用下容易产生薄弱层效应,导致强震后产生较大的残余变形,从而增加结构修复的难度和成本,限制了BRB的发展应用。若能够有效控制损伤位置和损伤程度,就能够充分利用BRB的耗能能力,并可以使结构达到“可修复”或“易修复”的目的。摇摆墙作为一种控制结构变形模式的典型构件,能够有效控制结构损伤位置和损伤程度。本文从结构体系层次出发,提出能够充分利用BRB耗能能力且易修复的底部带BRB的摇摆墙框架结构(Hinged Wall-Frame with BRB in Base, HWBBF)。在HWBBF中,框架主要承担竖向力,BRB提供抗侧刚度并在遭遇大震时耗能,摇摆墙则传递抗侧刚度并控制变形模式。全文研究内容和成果如下：(1)介绍HWBBF结构体系的构造和抗震机理,通过非线性时程分析对此类结构的抗震性能进行评估。针对HWBBF简化模型进行了模态分析,结果表明结构转动刚度比变化对于一阶周期影响较大,对于高阶周期影响较小。设计了一个采用HWBBF结构体系的背景工程并进行了非线性时程分析,结果表明结构能够满足预定的性能目标,结构变形模式主要受一阶振型控制,墙底出现塑性铰后墙身中部弯矩和基底剪力产生可观的增量。提出了一种用于估计墙体内力需求的简化计算方法(地震动强度叠加法),公式估计值与时程分析结果对比表明地震动强度叠加法的精度较好,能够用于估计摇摆墙的内力需求。(2)基于背景工程设计制作一个1：3缩尺的HWBB构件,并进行拟动力、拟静力和震后修复试验。采用El Centro波对试验结构进行了拟动力加载,试验结果表明HWBB的上部墙体保持弹性,仅BRB核心部件屈服耗能,实现了预定的屈服机制。通过对结构施加反向弯矩修复其震后残余位移,并对修复后结构进行拟动力加载,试验结果表明HWBB震后残余位移的修复过程简单可控,修复前后结构动力特性及抗震性能基本不变。拟静力试验得到的滞回曲线饱满,在2.5%的顶点位移角下,HWBB仍能保持稳定的滞回耗能能力,具有良好的变形能力和延性,其破坏模式为墙底的BRB被拉断,结构的破坏模式可控。更换BRB后对试验结构再次进行拟动力和拟静力加载,试验结果表明更换BRB前后HWBB的整体滞回曲线基本一致,HWBB具有可修复的优点。(3)对试验结构的拟动力加载过程和震后修复过程进行有限元模拟,并通过数值模拟比较不同修复方法的效果。采用SAP2000软件模拟了结构的拟动力加载过程和震后修复过程,结果表明考虑销轴滑移和地梁翘起的模型能准确模拟出试验结构的地震响应,模拟与试验结果基本一致,结构中BRB采用三线性模型能够充分体现出其实际滞回响应,具有较高的精度。基于上述试验校准的有限元模型,对比在墙体一侧施加修复弯矩与在墙体两侧施加修复弯矩两种修复方案下结构的内力响应,表明在墙体两侧施加修复弯矩时墙体内力响应较小；对比施加精准修复位移与估算修复位移时的修复效果,表明基于位移控制的修复方式对BRB加载位移大小精度要求不高,采用估算修复位移即可保证修复效果。
【关键词】：屈曲约束支撑 摇摆墙 抗震性能 试验 修复
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU352.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 摇摆结构研究综述12-17
• 1.2.1 摇摆机制的概念12-13
• 1.2.2 摇摆结构的研究现状13-16
• 1.2.3 摇摆结构的应用现状16-17
• 1.3 存在的问题17
• 1.4 本文主要研究内容与思路17-19
• 本章参考文献19-23
• 第二章 底部带BRB的摇摆墙框架结构抗震性能分析23-41
• 2.1 底部带BRB的摇摆墙框架结构抗震理念23-26
• 2.1.1 底部带BRB的摇摆墙框架结构概念23-24
• 2.1.2 底部带BRB的摇摆墙恢复力模型及受力特点24
• 2.1.3 底部带BRB的摇摆墙简化模型24-26
• 2.2 背景工程26-30
• 2.2.1 工程简介27-28
• 2.2.2 性能目标的选取28-29
• 2.2.3 底部带BRB的摇摆墙设计29-30
• 2.3 抗震性能分析30-36
• 2.3.1 分析模型31
• 2.3.2 地震波选择31-32
• 2.3.3 非线性时程分析结果32-36
• 2.4 墙体内力简化计算方法及验证36-38
• 2.4.1 地震动强度叠加法37
• 2.4.2 计算结果验证37-38
• 2.5 结论38-40
• 本章参考文献40-41
• 第三章 底部带BRB的摇摆墙试验设计41-61
• 3.1 拟动力试验方法简介41-43
• 3.1.1 拟动力试验方法的基本思想41-42
• 3.1.2 拟动力试验软件-TUT简介42-43
• 3.2 试验构件的设计与制作43-49
• 3.2.1 试验目的43-44
• 3.2.2 试验结构相似关系44
• 3.2.3 试验整体设计44
• 3.2.4 试验结构节点构造44-46
• 3.2.5 BRB设计46-49
• 3.3 试验系统与安装49-52
• 3.3.1 试验系统49
• 3.3.2 加载装置与侧向约束装置49-51
• 3.3.3 量测内容与方法51
• 3.3.4 BRB轴力以及轴向变形量测方法51-52
• 3.4 试验实施方案52-54
• 3.4.1 拟动力试验地震波选取和调整52-53
• 3.4.2 加载方案53
• 3.4.3 拟静力试验加载制度53-54
• 3.5 底部带BRB的摇摆墙震后修复方案54-58
• 3.5.1 直接修复残余位移的修复方案54-57
• 3.5.2 更换BRB的修复方案57-58
• 3.6 本章小结58-59
• 本章参考文献59-61
• 第四章 底部带BRB的摇摆墙试验研究61-89
• 4.1 初始加载阶段(LP1)拟动力试验结果及分析61-68
• 4.1.1 试验现象61
• 4.1.2 顶点位移时程61-63
• 4.1.3 结构整体滞回曲线63-64
• 4.1.4 BRB滞回曲线64-66
• 4.1.5 层间位移角及结构变形模式66-68
• 4.1.6 结构性能评价68
• 4.2 震后修复阶段(RP1)68-70
• 4.3 修复后(LP2)拟动力试验结果及分析70-72
• 4.3.1 试验现象70
• 4.3.2 顶点位移时程和整体滞回曲线对比70-71
• 4.3.3 BRB滞回曲线对比71
• 4.3.4 层间位移角对比71-72
• 4.3.5 结构性能评价72
• 4.4 修复后(LP2)拟静力试验结果及分析72-77
• 4.4.1 拟静力试验实际加载制度72-73
• 4.4.2 试验现象73
• 4.4.3 结构整体滞回曲线和骨架曲线73-74
• 4.4.4 BRB滞回曲线和骨架曲线74-75
• 4.4.5 结构变形模式75
• 4.4.6 结构破坏模式75-77
• 4.5 更换后加载阶段(LP3)拟动力试验结果及分析77-82
• 4.5.1 试验现象77
• 4.5.2 顶点位移时程和滞回曲线对比77-79
• 4.5.3 修正后滞回曲线79-80
• 4.5.4 BRB滞回曲线对比80-81
• 4.5.5 层间位移角及结构变形模式81
• 4.5.6 结构性能评价81-82
• 4.6 更换后加载阶段(LP3)拟静力试验结果及分析82-86
• 4.6.1 拟静力试验实际加载制度82-83
• 4.6.2 试验现象83
• 4.6.3 整体滞回曲线和骨架曲线83-84
• 4.6.4 BRB滞回曲线和骨架曲线84-85
• 4.6.5 结构实际顶点位移与BRB变形之间的对应关系85-86
• 4.6.6 结构破坏模式86
• 4.7 本章小结86-88
• 本章参考文献88-89
• 第五章 试验结果的有限元模拟89-105
• 5.1 HWBB有限元模型的建立89-93
• 5.1.1 BRB本构模型的选取89-90
• 5.1.2 支座条件的模拟90-92
• 5.1.3 分析工况以及相应的计算模型92-93
• 5.2 加速度输入激励模型分析结果与试验对比93-94
• 5.3 位移输入激励模型分析结果与试验对比94-101
• 5.3.1 拟动力试验工况模拟94-100
• 5.3.2 修复阶段模拟100-101
• 5.4 残余位移修复方案对比101-104
• 5.4.1 一侧加载修复与两侧加载修复对比101-102
• 5.4.2 基于位移控制的修复方案与基于力控制的修复方案对比102-103
• 5.4.3 估计修复位移的适用性103-104
• 5.5 本章小结104-105
• 第六章 总结与展望105-107
• 6.1 主要工作总结105-106
• 6.2 研究展望106-107
• 攻读硕士学位期间发表成果107-108
• 致谢108

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