新型预拉杆式自定心BRB结构的抗震性能与设计方法

发布时间：2020-07-28 13:22

【摘要】：预拉杆式自定心屈曲约束支撑(Self-centering Buckling-Restrained Brace,SC-BRB)具有良好的耗能能力和自定心性能,能够有效提高结构的震后可修复性。已有的SC-BRB构造在强地震作用下,预拉杆仍可能屈服甚至断裂从而影响结构的可修复性和安全性。同时,当预拉杆无法满足结构变形需求或相邻抗弯框架屈服时,均会导致结构产生一定的残余变形,而目前SC-BRB框架基于性能的设计方法仅考虑最大变形,未将残余变形纳入设计性能目标,难以确保结构震后的可修复性。针对上述问题,本文进行了如下工作。(1)提出增大支撑变形能力和提高初始刚度可控性的新型预拉杆式SC-BRB的概念与构造。针对现有SC-BRB对预拉杆的弹性延伸率需求较高,和套管长度加工误差会显著改变支撑初始刚度的问题,分别给出相应改进措施,建立了新型预拉杆式SC-BRB的概念,提出增大支撑变形能力的措施(摩擦保险装置或串联式SC-BRB)和提高支撑初始刚度可控性的措施(橡胶夹层端板),深入分析其工作机理和力学行为,并建立适用于新型预拉杆式SC-BRB构件的构造设计方法和设计流程。(2)预拉杆和摩擦保险装置的性能试验研究。对玄武岩纤维筋(Basalt Fiber-Reinforced Polymer,BFRP)预拉杆和摩擦保险装置进行性能试验,结果表明:BFRP筋的极限延伸率超过2.5%,且性能较为稳定,但预拉杆循环拉伸时会由于锚具中的锚固胶体变形引起预张力的损失;本文基于试验结果给出锚固胶体变形与应力差值的回归公式,可用于评估SC-BRB震后的预张力损失;摩擦保险装置在保证较大摩擦面积和避免摩擦面锈蚀的前提下,滑动摩擦力受加载制度变化的影响很小,性能十分稳定。(3)新型预拉杆式SC-BRB支撑试件的拟静力试验。设计并加工了 4根分别采用不同改进措施的新型预拉杆式SC-BRB试件,结果表明:未采用增大支撑变形能力措施的SC-BRB试件在预拉杆超过应变极限断裂后,支撑的承载力出现陡降,残余变形增大到位移幅值的90%;摩擦保险装置能保证SC-BRB试件达到对应4%层间位移角的轴向变形而不出现破坏,并使支撑具有一定的自定心能力;当支撑轴向变形相同时,串联式SC-BRB的构造形式既能减小预拉杆弹性延伸率一半需求,也不会影响支撑的自定心性能;采用橡胶夹层端板能够有效降低套管长度误差的影响,提高支撑初始刚度的可控性。(4)新型预拉杆式SC-BRB支撑滞回性能的数值模拟。采用ABAQUS有限元分析软件建立新型预拉杆式SC-BRB的精细有限元模型,通过与试验结果的对比验证了模型的正确性,并在此基础上分析了关键参数对支撑滞回性能的影响。基于流变分析理论,建立能够模拟受橡胶夹层端板和套管长度误差影响的不同预拉杆材料SC-BRB滞回性能的弹塑性分析模型。(5)SC-BRB框架抗震性的参数化分析。基于结构的恢复力模型和运动方程,分别确定影响SC-BRB铰接钢框架(即梁、柱铰接的SC-BRB框架)和SC-BRB双重体系框架(即由抗弯框架和SC-BRB铰接钢框架组成的SC-BRB框架)动力响应的关键参数。采用OpenSees软件建立两种形式SC-BRB框架的简化杆系模型,通过时程分析研究关键参数对结构抗震性能的影响规律,并给出结构设计时各参数的取值建议。(6)SC-BRB框架的非线性位移比谱和残余位移比谱公式的建立。基于SC-BRB框架单自由度体系模型,研究关键参数对其非线性位移比和残余位移比的影响规律。分别对SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架进行162000次和486000次单自由度体系时程分析,在此基础上通过多元非线性回归,建立分别适用于SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架的非线性位移比和残余位移比公式,可用于结构地震时的位移评估和抗震设计。(7)以最大层间位移角和残余位移角为双控指标,建立SC-BRB框架基于震后可修复性的抗震设计方法。研究了高阶模态效应和P-Δ效应对不同层数SC-BRB框架地震位移响应的影响,分别给出结构最大变形和残余变形的高阶模态放大系数回归公式,以及P-Δ效应放大系数参考值。采用最大层间位移角和残余位移角作为双控指标,在非线性位移比与残余位移比公式的基础上,建立适用于SC-BRB框架的基于震后可修复性的抗震设计方法,并分别给出SC-BRB铰接钢框架和SC-BRB双重体系框架的设计流程。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11
【图文】：

图１．１自定心屈曲约束支撑（ＳＣ－ＢＲＢ）工作机理及滞回曲线逡逑自定心支撑一般采用由套管、端板和预拉杆组成的自定心体系与不同耗能构件组合而逡逑成。图１．１为一种运用ＢＲＢ作为耗能部件的自定心支撑，称为自定心屈曲约束支撑逡逑（Ｓｅｌｆ－Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ邋Ｂｕｃｋｌｉｎｇ－Ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ邋Ｂｒａｃｅ，邋ＳＣ－ＢＲＢ）。其中内外套官作为核心、板的约束构件逡逑可防止其在受压时发生屈曲变形，保证支撑在变形的过程中具有稳定的滞回耗能能力。而逡逑内外套管又与端板和预拉杆一起组成自定心体系，无论支撑受拉还是受压，套管都会顶推逡逑两侧端板带动预拉杆伸长（图１．１（ａ）），从而产生克服残余变形所需的自定心恢复力。图１．１（ｂ）逡逑为ＳＣ－ＢＲＢ的滞回曲线，是由自定心体系（Ｓｅｌｆ－Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＳＣ）的双线性弹性滞回和逡逑ＢＲＢ的弹塑性滞回曲线叠加而成，具有显著的旗帜形特征。从图中可以看出ＳＣ－ＢＲＢ滞回逡逑曲线的残余变形明显小于ＢＲＢ。逡逑虽然ＳＣ－ＢＲＢ具有优异的自定心性能，但是其对预拉杆的弹性延伸率需求较尚，当支逡逑２逡逑

２００９年，丫３１＾［３７＿３８］将３＾丝缠绕在支撑两个钢套管的内部的推板上，其构造能保证逡逑无论支撑受拉或是受压，套管内部的推板均能带动ＳＭＡ丝的受拉，而耗能能力则由设置逡逑在套管外部且两端分别与两个套管相连的铝杆提供，如图１．３所示。该支撑的试验结果表逡逑明，当支撑的变形达到２．２％时，支撑几乎不会产生残余变形。逡逑－逡逑

本文编号：2772937