全钢防屈曲可控支撑（BCB）构件的试验研究

发布时间：2020-11-05 14:50

　　 由于世界各地地震灾害屡屡发生,导致人类生命财产安全受到极大威胁。世界各国都越来越重视工程抗震的研究,我国更是通过制定相关规范条例将抗震要求设置为强制性标准。支撑作为一种常用的抗震构件广泛用于工程各个领域。传统支撑在设防烈度及大震条件下极容易发生整体或局部屈曲失稳破坏,为解决在罕遇地震下支撑的屈曲失稳问题,实际工程中通常采用防屈曲支撑。因为防屈曲支撑采用内核受力构件外包约束构件的结构形式,使支撑在受力过程中即使无法达到全截面屈服的理想状态,也能利用外管构件约束支撑,提供优良的承载力及耗能能力,从而为整个框架结构提供稳定且对称的支撑力,减小形成薄弱层的可能性。本文提出了一种新型防屈曲支撑:全钢防屈曲可控支撑核心受力构件由圆管与加载端头采用焊接方式连接构成,加载端头由四块直角梯形角撑板与一块等腰梯形加载板构成;外约束构件是由两根槽钢与两根T型钢焊接而成,T型钢腹板长度通过削减进行调整。防屈曲可控支撑无内外管之间的无粘结材料,因此具有自重轻、易于制作组装的特点。其最大的优势在于,可以对现有的传统单管支撑加装外约束构件形成防屈曲支撑,将传统支撑的侧向位移限制在可控的范围内。本文首先介绍了支撑的工作原理、构成及理论公式推导,其中理论研究包括了对防屈曲可控支撑的整体稳定性、局部稳定性、内核受力构件与外约束构件之间的间隙值,推出了最大临界应力、宽厚比限值以及最小间隙值的理论公式,利用公式计算试验试件的横向及纵向构造设计,并计算出试件用于增强连接的加肋板的相关尺寸。其次,本文对传统支撑及防屈曲可控支撑进行了试验研究。两类支撑均采用Q235b钢材制作内核受力构件及外约束构件,并按照我国抗震规范规定设计的加载制度进行轴向循环往复加载。试验结束后,试件破坏状态显示:在一端固接一端铰接的边界条件下,两个支撑的破坏形式为加载端头发生偏心失稳破坏;两端固接时,防屈曲可控支撑是由于内管多波屈曲导致破坏,而传统支撑是由于失稳破坏。最终,对实验数据收集整理并分析了拉压对称性、骨架曲线、刚度退化、耗能能力、应力应变等抗震性能指标。实验表明:一端固接一端铰接的边界形式下,防屈曲可控支撑较传统支撑承载力及耗能能力有所提高;在两端固接的边界条件下,耗能能力提高了63%。所以支撑受到两端固接的耗能能力优于一端固接一端铰接的耗能能力,且充分表明防屈曲可控支撑较传统支撑而言,耗能能力得到大幅提升。最后在Abaqus有限元软件平台上,按照支撑尺寸建立了传统支撑与防屈曲可控支撑在两端固结的边界条件下的足尺模型,运算出力学模型的有关参数。并将有限元软件模拟结果与试验结果进行了对比,通过对比发现,有限元模拟虽然存在一定的误差,但是在整体上仍然可以反映出构件的承载能力与耗能性能,所以利用有限元模拟工程实例是切实可行的。图[50]表[11]参[61]
【学位单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU352.1
【部分图文】：

安徽建筑大学硕士学位论文第一章绪论-8-（f）日本大阪港桥图1-1防屈曲支撑的工程应用1.4目前存在的问题根据研究现状可以看出，大部分全钢防屈曲支撑研究主要集中在外包混凝土的钢支撑构件，较少涉及到外约束构件为钢管的全钢防屈曲支撑。然而，外加套管的全钢防屈曲支撑可以在制作过程中有效减少成本，降低施工难度，缩短建设周期[38]。因此外套钢管的全钢防屈曲支撑是一项有前景的研究课题。全钢防屈曲支撑的理论发展方面还存在以下限制：（1）对于局部失稳情况的理论研究尚未成熟。没有用于局部稳定性计算的理论公式，也缺少局部失稳的机理研究。（2）全钢防屈曲支撑的设计参数来源精准性较差。通过统计支撑试验结果，之后对数据模型拟合，从而确定相关参数。这就难以保证设定某类全钢防屈曲支撑参数的精确度[39]。（3）全钢防屈曲支撑保证整体稳定性的条件下，已经得出内芯构件为一字型的外套管强度公式，但目前没有关于内芯构件为十字型的外套管强度公式。在全钢防屈曲支撑有限元模拟方面，存在以下两方面不足：（1）在有限元软件计算模型整体稳定性时，通常不考虑摩擦力对支撑构件承载能力的影响。（2）在建立模型时，只通过改变参数来研究全钢防屈曲支撑的性能。但目前参数并不全面，并且没有考虑到内外构件之间的相互作用[39]。在全钢防屈曲支撑的试验方面存在一个较为严重的问题：由于试验设备和试验场地的限制，试验室通常采用等比例缩小的试件进行试验，很少进行足尺试件试验。但是缩尺试件试验难以反映工程实际情况，往往造成了实际应用与试验结果不符的情况。此外，试验中很少考虑到两端节点板转动的情况，这与实际结构的受力情况不完全一致，会给实际工程带来隐患[40]。

-第二章防屈曲可控支撑的理论研究2.1全钢防屈曲可控支撑工作原理及构成传统支撑在大震作用下很容易发生局部失稳，主要是因为当施加的荷载大于等于支撑的屈曲荷载时，支撑发生横向弯曲变形，这类现象也称为屈曲。同时，在强烈地震作用下，传统支撑也很有可能发生低周疲劳破坏。为了解决这一难题，学者们已经对限制支撑发生屈曲进行了多方面的研究：如加设外管，添加无粘结材料等等，最终衍生出一类新型的支撑，即全钢防屈曲支撑。全钢防屈曲支撑是由内核受力单元、外约束单元和内外管之间的无粘结材料三部分构成，形式如图2-1所示[41]。内核受力单元一般由塑性变形能力好，屈服点较低的钢种材料制成，主要承受轴向的拉压荷载。外约束单元由钢管或者混凝土制成，不能承受轴力，作用是在内核单元发生受压屈曲时，提供侧向支撑力，以致于整个构件能够承受更大的轴力，改善其抗弯性能。无粘结材料是介于内核受力单元与外约束单元之间的，能够减小两者因接触而产生摩擦力的介质[42]。由于内外单元能够发生相对滑动，就避免了内核单元与外约束单元形成整体，防止外约束单元承受轴力的作用。全钢防屈曲支撑使得拉压出现对称性，这使得内核单元在还未出现较大的弯曲变形时就已经完全屈曲，耗散大部分能量。图2-1防屈曲可控支撑构件示意图虽然全钢防屈曲支撑的截面形式多类多样（如图2-2所示）。但其工作原理基本相同。与传统支撑相比，其外管能够很好的约束内核单元，保证内核单元在发生屈曲后仍然发挥耗能能力，限制内管由于侧向弯曲变形而发生局部失稳。全钢防屈曲支撑在经受多遇地震作用时，可为建筑物提供抗侧力刚度，减小地震基本周期的作用。而在大震作用下，全钢防屈曲支撑起到了金属阻尼器的作用。相比较更为重要的梁柱构件，全钢防屈曲支撑可?

安徽建筑大学硕士学位论文第二章防屈曲可控支撑的理论研究-11-下通过内核受力单元的弹塑性变形来消耗大量能量，保护建筑物的梁柱等主要受力构件，避免建筑物发生倒塌，使人民群众的生命健康和财产安全免遭威胁，也节约了因建筑物倒塌而灾后重建的成本。图2-2全钢防屈曲支撑截面形式本文研究的全钢防屈曲可控支撑（BCB）是一类特殊的全钢防屈曲支撑：构成包括一个内核受力构件，该圆管负责抵御地震力的横向作用；一个控制内管构件，该方管可通过沿支撑长度方向提供连续的侧向支撑来控制核心支撑的整体和局部屈曲。内管与外管之间没有填充砂浆等无粘结材料，但两管之间留有间隙，管之间的间隙是为了让外管对轴向载荷系统起到控制作用。具有加工简单，自重较轻等优点，能够在大跨度结构中使用，工程应用前景广阔。新式防屈曲支撑是将全钢防屈曲支撑重新定义为两阶段屈曲控制的支撑：第一阶段不发生弯曲，第二阶段控制屈曲变形。这一新定义不仅符合当前研究论文中普遍观察到的实际现象：即当前支撑研究主要方向为限制支撑屈曲，但没有支撑系统可以完全防止其屈曲；而且能够进行系统的试验分析，以推动对全钢防屈曲支撑的理解和应用。传统支撑与防屈曲可控支撑的滞回曲线区别如图2-3所示，防屈曲可控支撑在受拉阶段时与传统支撑受力情况一致。受拉过程中支撑发生弹性变形，随着荷载的不断增大，随后进入屈服阶段，继续卸载之后支撑产生一定的塑性残余应变。而在受压过程中，传统支撑自身的几何缺陷存在导致P-δ效应不容忽略[44]，所以在承受较小幅值的压应力加载下也会产生横向变形，当加载到屈服应力的过程中，传统支撑还未达到全截面屈服就已经发生了屈曲形变，在达到屈服荷载之后继续加压，支撑抗压承载能力大幅下降，内部积累了较大的残余变形，?
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本文编号：2871789