新型预压弹簧自恢复耗能支撑结构抗震性能设计理论与试验研究

发布时间：2020-09-01 14:41

　　自恢复耗能(Self-centering energy dissipation,简称SCED)支撑在地震发生时不仅可为结构提供稳定的耗能能力,保护结构主体安全,同时还可为其提供良好的自恢复能力,有效地减小结构的残余变形响应。现有SCED支撑多采用摩擦装置或防屈曲支撑(Buckling restrained brace,简称BRB)提供耗能,预应力筋或形状记忆合金材料提供自恢复能力,该类支撑常存有变形能力有限或支撑性能受温度影响明显等不足。因此本文提出一种由组合碟簧装置与摩擦耗能装置共同组成的兼具高耗能及自恢复性能的新型预压弹簧自恢复耗能(Pre-pressed spring self-centering energy dissipation,简称PS-SCED)支撑,通过对多组不同设计参数的PS-SCED支撑试件进行低周往复加载试验,系统研究了该支撑的滞回性能、耗能及自恢复性能,提出可准确、细化描述支撑旗形滞回特性的非线性恢复力模型,建立了PS-SCED支撑构件设计理论和方法。分别设计并建立低层、中高层及高层典型的PS-SCED支撑框架结构,对其进行非线性地震响应分析,研究支撑结构在中震、大震及特大震作用下的抗震性能及功能可恢复性能,并分析支撑构件设计参数对结构性能的影响规律,建立了 PS-SCED支撑框架结构基于性能的抗震设计方法。主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种由摩擦耗能装置提供耗能、组合碟簧装置提供自恢复能力的新型PS-SCED支撑,通过对4组具有不同碟簧类型、不同支撑长度及不同截面形式的支撑试件进行低周往复加载试验,研究了支撑在相同组合碟簧预压力、不同摩擦耗能装置摩擦力情况下的滞回性能、耗能、自恢复性能及参数影响规律,结果表明:PS-SCED支撑在低周往复加载作用下可展现出特有的旗形滞回曲线,其耗能能力随摩擦力的增大而增大,当组合碟簧预压力足以克服该摩擦力时,PS-SCED支撑具有更好的自恢复性能。此外,提出了一种利用支撑可测工作段的实测应变信息推算支撑整体滞回响应的应变反演法,该方法可有效地预测PS-SCED支撑的滞回响应。(2)通过PS-SCED支撑的破坏性试验和低周疲劳性能试验,分析了 PS-SCED支撑在大位移循环加载作用下的滞回性能、耗能、延性及承载力,结果表明:PS-SCED支撑构件在大位移多次循环加载作用下,可保持稳定的耗能及自恢复能力,具备良好的抗疲劳性能。圆形截面内管支撑相比X截面内管支撑具有更好的延性、耗能及自恢复性能,且采用无支撑面碟簧可有效提高支撑承载力,采用有支撑面碟簧或增加支撑长度及碟簧使用数量更有利于提高支撑变形能力。支撑的破坏模式为其内管发生拉断破坏,且破坏位置位于支撑内管用于固定摩擦耗能装置高强螺栓的预留孔洞处。(3)建立了 PS-SCED支撑构件设计理论和方法,给出了具体设计流程和建议。基于Bouc-Wen模型,提出了两种可准确描述该支撑构件滞回响应的非线性恢复力模型。模型预测与试验结果对比分析表明:PS-SCED支撑分段式简化模型和非线性原理模型均能有效地描述支撑的滞回特性,且非线性原理模型对支撑恢复力、刚度过渡段平滑性、等效粘滞阻尼比和累积耗能的预测结果更加准确。非线性原理模型中的耗能参数及刚度参数对支撑的滞回响应存有明显影响,而其余形状控制参数对支撑滞回响应的影响较小,对于采用相同构造的PS-SCED支撑构件,可将其设为定值以作简化计算。(4)基于LS-DYNA有限元软件对PS-SCED支撑非线性原理模型进行了二次开发,依据功能可恢复结构的四水准抗震设防目标,分别设计并建立了4层、8层和16层典型的低层、中高层及高层PS-SCED支撑框架结构,对其在中震、大震及特大震作用下的抗震性能及功能可恢复性能进行研究,结果表明:PS-SCED支撑相比普通钢支撑(Conventional steel brace,简称CSB)可更加有效地减小结构的层间位移响应,在大震和特大震作用下可具备与BRB同等的控制效果。支撑特有的旗形滞回特性可有效地减小结构的震后残余变形响应,但也使其结构的加速度响应略高于BRB框架结构,且该结构的加速度响应随碟簧间接触摩擦力的增加而明显增加。分析了支撑构件设计参数对PS-SCED支撑结构抗震性能的影响规律,建立了PS-SCED支撑框架结构基于性能的抗震设计方法。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU352.11
【部分图文】：

滞回曲线,滞回曲线,构件

平行四边形滞回曲线，有效改善了邋ＣＳＢ的受压屈曲、滞回性能拉压不对称等不足。逡逑Ｂｌａｃｋ等［３６］对比了具有相同设计参数的ＣＳＢ和ＢＲＢ在循环荷载作用下的滞回曲逡逑线，如图１－２所示。结果显示，ＣＳＢ构件的滞回响应在其受拉与受压方向存有明逡逑显的不对称现象，且构件受压屈曲严重，耗能能力较低。相比ＣＳＢ构件，同等设逡逑计条件的ＢＲＢ构件滞回曲线更为饱满，耗能能力明显优于ＣＳＢ，且在ＢＲＢ受拉逡逑与受压方向，其滞回曲线基本对称，具有良好的拉压对称性。逡逑ｔ｜逦ｔ逦：栜逡逑，逦ｍｉｌ邋，邋ｉ邋！邋！邋ｊｉ！邋Ｈ逡逑ｉ逦ｓ邋／邋／邋ｉｍＪｊｊ逡逑Ｍ逡逑（－）—邋位移逦＊－邋（＋）逦（－＞邋－？逦邋位移邋逦？邋（＋）逡逑（ａ）邋ＣＳＢ构件逦（ｂ）邋ＢＲＢ构件逡逑图１－２邋ＣＳＢ与ＢＲＢ滞回曲线对比逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ＣＳＢ邋ａｎｄ邋ＢＲＢ逡逑ＢＲＢ的抗疲劳性能试验结果表明［３Ｗ９］ＢＲＢ构件在循环加载作用下具有良好的逡逑滞回性能，在疲劳荷载作用下易发生拉断破坏，但试件在破坏前仍具有稳定的滞逡逑回性能及良好的耗能能力。当支撑发生较大变形时，其内部填充的混凝土等材料逡逑会发生膨胀

滞回曲线,构件,滞回曲线,耗能能力

滞回曲线,自复位,滞回曲线,耗能能力

载后可自行恢复至初始状态；而摩擦装置则可展现出饱满的平行四边形滞回曲线，逡逑可有效地耗散地震输入能量。Ｃｈｒｉｓｔｏｐｏｕｌｏｓ等［５９＿６（）］提出了由该两种装置共同组成的逡逑新型ＳＣＥＤ支撑构件，并对其进行了低周往复加载试验，如图１－３所示。试验结果逡逑表明［６１］该ＳＣＥＤ支撑在循环荷载作用下可展现出旗形滞回曲线，同时具备良好的逡逑自恢复性能和稳定的耗能能力，从而在地震发生时既可控制结构的层间位移响应，逡逑又可减小结构的震后残余变形，且其结构加速度响应与支撑滞回曲线刚度过渡段逡逑的平滑性密切相关［６２］。与之相似，由预应力筋提供自恢复能力、ＢＲＢ构件提供耗逡逑能能力的新型自复位ＢＲＢ构件可兼具自复位体系和ＢＲＢ构件的优点［６３＿６５］，在保逡逑持ＢＲＢ稳定耗能能力的同时，可减小因其耗能内芯屈服而产生的累积残余变形。逡逑但当支撑变形超出预应力筋的最大设计行程时，该ＳＣＥＤ支撑将失去自恢复能力，逡逑仅留ＢＲＢ发挥耗能作用。因此

【参考文献】