GFRP-钢组合防屈曲支撑抗震性能研究

发布时间：2020-11-13 03:36

　　 防屈曲支撑作为一种结构耗能减震的措施,由于其抗震性能好,工程应用性较强,近年来备受关注。而目前已有的防屈曲支撑由于其造价高、易锈蚀、自重大、湿作业较多等缺点使其在大跨空间结构中的使用受到限制。为扩大防屈曲支撑在空间结构中的适用范围,需要研制重量轻、约束强度高的轻型防屈曲支撑。FRP具有密度小、强度高、耐腐蚀且可设计性强的特点,相比钢或混凝土防屈曲支撑而言,其质量更轻,耐久性好,生产及装配工业化程度高等一系列优点,更适合用于大跨空间结构中。本文提出一种圆钢管作为耗能芯材,采用GFRP缠绕型材作为约束的新型GFRP-钢组合防屈曲支撑,并通过试验和数值模拟的方法系统地开展了此类新型耗能支撑抗震性能研究。(1)首先,根据材料特点及加工流程,提出了GFRP-钢组合防屈曲支撑的构造形式。根据理论公式设计并加工了7个GFRP-钢组合防屈曲支撑缩尺试件及1个纯钢普通支撑缩尺试件。其次,分别对各组试件进行了低周往复加载试验,对比了约束比,GFRP缠绕角度等变量对此类防屈曲支撑力学性能的影响。最终,通过试件破坏形态,荷载位移曲线和骨架曲线对试验结果进行分析,并根据拉压不平衡特性,累积滞回耗能性能,附加阻尼比等分别评价该类支撑耗能特性,结果表明:采用单一GFRP缠绕角度,端部未采取加强措施的试件均在试验中较早地发生了整体屈曲,GFRP约束管沿纤维缠绕方向发生撕裂,最终以钢管端部拉断破坏,抗震性能不满足要求;采用混合缠绕角度,端部采取加劲肋加强的试件的滞回曲线饱满对称,耗能能力等各项指标均满足要求,且钢管端部始终未发生严重破坏。(2)采用通用有限元分析软件ABAQUS对GFRP-钢组合防屈曲支撑的建模方法进行了研究,根据其特点选择合适的单元类型及计算方法,建立了GFRP-钢组合防屈曲支撑的精细化有限元模型,根据按照试验加载工况对各组试验试件的试验过程分别开展了数值模拟,对比了试验数据与数值模拟,获得了较好的对比结果,从而有效地验证了有限元模型对该类GFRP-钢组合防屈曲支撑分析的准确性。此外,通过与文献中其他混合材料防屈曲支撑试验数据的对比,验证了该有限元模型的适用性。(3)采用上述方法,建立了GFRP-钢组合防屈曲支撑足尺构件的有限元模型,并通过参数分析系统地对影响防屈曲支撑性能的各项重要参数进行了数值模拟对比,其中包括:内芯组件与约束组件之间的间隙,约束构件GFRP缠绕型材的纤维缠绕角度,内芯钢管的径厚比,内芯钢管的长细比,以及防屈曲支撑的约束比。通过大量的参数分析结果对比发现:各组件之间的间隙过小会使内芯钢材的侧向变形不能得到完全释放,此时GFRP组件受到应力负担较大,对支撑稳定性不利,间隙过大则GFRP组件无法起到有效约束作用,核心单元在发生较大的屈曲变形后才能受到限制,影响支撑的耗能性能;采用混合角度缠绕GFRP的构件性能优于单一角度缠绕,当采用单一角度缠绕时,GFRP的缠绕角度越接近构件的轴向其性能越好;内芯钢管的径厚比过大会导致内芯产生过大的变形,从而容易发生局部失稳;在合理的范围内,内芯钢管的长细比越大其耗能性能越好,但构件的承载力和刚度则会随之降低;约束比越大,构件的滞回曲线越饱满,耗能能力越强。最后,通过参数分析结果提出了该类新型GFRP-钢组合防屈曲支撑的设计建议,为工程应用提供了理论依据。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU352.11;TU398.9
【部分图文】：

题受以下项目支持：） 国家自然科学基金“基于 FRP-钢组合减震构件的空间网格结构抗性能及防御方法研究”（编号：51708521）。） 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目“多种材复合耗能支撑抗震性能研究”（编号：2017B11）。.2 课题背景与意义中国作为全球地震多发的国家之一，地震所造成的灾害也位列世界前列计，20 世纪我国发生 7.0 以上等级地震的频次已占到全球比例的 35%中死于地震的人数占据了全球死于地震人数的一半之多，约有 59 万人抗震减灾责任之紧迫。在历次地震中，多数大跨空间钢结构均具有良好性能，并未发生严重破坏。然而，芦山地震中几座大跨空间结构发生了著的破坏，包括与支座相连杆件发生屈曲破坏如图 1-1 所示，十字板与焊缝失效导致支座破坏如图 1-2 所示。由此可见，大跨空间结构中抗震完善十分有必要。

题受以下项目支持：） 国家自然科学基金“基于 FRP-钢组合减震构件的空间网格结构抗性能及防御方法研究”（编号：51708521）。） 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目“多种材复合耗能支撑抗震性能研究”（编号：2017B11）。.2 课题背景与意义中国作为全球地震多发的国家之一，地震所造成的灾害也位列世界前列计，20 世纪我国发生 7.0 以上等级地震的频次已占到全球比例的 35%中死于地震的人数占据了全球死于地震人数的一半之多，约有 59 万人抗震减灾责任之紧迫。在历次地震中，多数大跨空间钢结构均具有良好性能，并未发生严重破坏。然而，芦山地震中几座大跨空间结构发生了著的破坏，包括与支座相连杆件发生屈曲破坏如图 1-1 所示，十字板与焊缝失效导致支座破坏如图 1-2 所示。由此可见，大跨空间结构中抗震完善十分有必要。

传统防屈曲支撑
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本文编号：2881669