多层形状记忆合金自复位支撑钢框架的性能化抗震设计方法研究
发布时间：2020-12-21 14:51
钢框架是建筑物常见的结构形式。安装消能减震装置是提高钢框架抗震性能的有效手段。然而,传统的消能减震装置无法有效消除框架的残余变形,而残余变形过多可能会导致巨大的社会经济损失。形状记忆合金(SMA)因其超弹性而受到地震工程界的关注,其能够在地震作用下恢复大的非弹性变形同时耗散能量。因此,形状记忆合金自复位支撑钢框架(SMABF)具有广阔的应用前景。然而,SMA支撑框架的设计方法尚待发展。对于钢框架结构,层间位移角(IDR)通常被认为是量化结构和非结构构件损伤状态的关键性能指标之一。对于目前抗震规范中没有明确规定的SMA支撑框架,其在地震作用下的IDR需要在抗震设计或改造等阶段进行准确可靠的估算。本文提出了一个基于非弹性位移比(CRR)的估算方法以估算SMABF的层间位移。基于具有旗帜型滞回行为的单自由度自复位系统,研究了不同参数对CR的影响,并通过非线性回归分析提出了一个简单的CR估算公式。选择了一个六层框架来验证所提出的估算方法。结果表明,框架的估算结果与非线性时程分析结果较为吻合。提出的估算方法可以较为准确地估算SMA支撑框架的层间位移。考虑到很多钢框架主体本身已具有一定的抗震能力,...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?ＳＭＡ支撑构造示意图??
?山东大学硕士学位论文???Ｆ?Ｆ，个??—＞?ｍ?ｍ?＇Ｘ．??Ｆ〇?—???Ｒ?＝?Ｆ〇／Ｆｙ???／＂Ｉ．．．．．．Ｔ?Ｔ?＝?２ｎ＾ｌｋ??Ｆｙ—￣Ｔ］ａｋ?｜Ｋ．?—设计谱??ｋ?ｌ?４?｛?ＳＭＡ体系??！?Ｉ?！?ｕ??ｔ一丄一?丄…??Ｕ０?％??图２．２?ＳＭＡ支撑框架的简化ＳＤＯＦ模型??假设弹性系统的刚度为ｈ保持系统弹性所需的最小力为Ｆ。，对应的变形为??ｗ。。相应的非弹性体系在“屈服”强度Ｆｙ和相应的“屈服”位移＆下进入塑性??阶段，刚度减小到卸载后，结构恢复至初始位置并形成高度为，７的旗帜型??滞回曲线。由于ＳＭＡ支撑是系统中抵抗地震力的最主要构件，因此结构的抗震??性能主要受ＳＭＡ支撑影响。与研究［５５，５７］—致，非弹性位移比Ｑ？定义为当经受相??同的地震作用时，具有相同质量和初始刚度的弹性系统和非弹性系统，其相对于??地面的最大非弹性位移Ｈｍ与最大弹性位移ｗ。的比值，如下式所示：??ＣＲ＝＾?（２－１）??ｕ〇??式中，由恒定屈服强度得出，该屈服强度与维持系统弹性所需的强度有关。??两者之间的关系由强度折减系数／Ｔ衡量，定义为：??Ｒ?＝?Ｕ?（２－２）??Ｆｙ?Ｆｙ??式中，Ｆ。是维持体系弹性所需的最小力，它同样是相应的弹性体系中地震引??起的峰值抗力；Ｆｙ是非弹性体系的“屈服”强度；＆是在设计谱中与系统基本周??期对应的谱加速度。ｍ是质量，对于单自由度系统，ｗ是结构的总质量；而对于??多自由度系统，ｗ是第一振型的有效振型质量。??系统的变形需求也可以用延性系数／／来表示，定义为：??Ｍ?＝?—?（２－３）??ｕｙ??由图２
?山东大学硕士学位论文???条地震波中每条地震波单独计算的非弹性位移比的平均值。??４［?！??—???ＤＢＥ??，－－－平均值??３＿ｆ?，?｜?一冬ｉ值??°〇?１?〒一?一１??Ｔ（ｓ）??图２．３选用地震波的加速度响应谱??２．３单自由度系统结果统计分析??２．３．１基本周期的影响??图２．４总结了单自由度系统的所有抗震分析结果。总的来说，随着周期的増??力口，非弹性位移比Ｃｆｉ逐渐减小并收敛到单位１。当ｒ＜０．５ｓ时，周期对于Ｃｆｉ影响??明显。随着周期的减小，非弹性位移比通常明显增加，这说明结构的峰值非弹性??位移变得比峰值弹性位移大得多。这强调了量化ＳＭＡ支撑框架相对于弹性位移??增加的位移的必要性。在大多数情况下，当周期增大到０．５ｓ，非弹性位移比减小??到２以下。当周期大于Ｉｓ时，非弹性位移比值逐渐接近于单位１，即非弹性体系??的峰值位移与弹性体系的峰值位移近似相等。这说明在长周期范围内，等位移规??则［６９］仍然适用于基于ＳＭＡ的自复位结构。??２．３．２强度折减系数的影响??强度折减系数的取值为２、４、６和８。如图２．４所示，对于基于ＳＭＡ的??自复位系统，〇？通常随着及的增加而增加，这说明增加结构的强度有利于减少??最大非弹性变形。当Ｔ＝０．２０ｓ、ａ＝０．１０、ｙ９＝０时，将及从２增大到８，非弹性位移??比Ｃ／ｊ将从１．５５增大到４．０８；但是，当Ｔ＝３．０ｓ而ａ＝０．１０、户０时，非弹性位移比??Ｇｅ仅从０．９６增加到１．０９。这说明，随着Ｔ的增加，尺对的影响逐渐减弱。此??夕卜，划分等位移规则适用与不适用（大于弹性位移）的周期值似乎是一
【参考文献】：
期刊论文
[1]500 kV输电塔线体系强风荷载倒塌分析[J]. 陈城,许海源,王晨,张有佳. 工业建筑. 2019(12)
[2]自复位免修复摩擦耗能支撑性能研究[J]. 张艳霞,黄威振,刘安然,刘学春,李瑞. 振动与冲击. 2018(04)
[3]SMA螺旋弹簧消能支撑对框架结构的减震控制研究[J]. 劳悦敏,黄斌,陈军明,蒲武川. 武汉理工大学学报. 2017(08)
[4]H型钢芯自复位防屈曲支撑抗震性能研究[J]. 张爱林,封晓龙,刘学春. 工业建筑. 2017(03)
[5]基于形状记忆合金的自复位摩擦耗能支撑滞回性能[J]. 胡晓斌,刘坤,高良慧. 武汉大学学报(工学版). 2016(06)
[6]直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究[J]. 郑晓伟,苏明周,石鲁,秦瑞,王迪涛,王喆. 地震工程学报. 2016(05)
[7]自复位摩擦耗能支撑框架的抗震性能分析[J]. 胡丹,周臻,苗建义,王维影. 土木工程与管理学报. 2014(03)
[8]中心支撑钢框架结构基于性能的塑性抗震设计[J]. 熊二刚,张倩. 振动与冲击. 2013(19)
[9]高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法研究[J]. 熊二刚,张倩. 工程力学. 2013(09)
[10]钢筋混凝土框架结构基于性能的塑性设计方法[J]. 熊二刚,张倩. 西南交通大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计理论和方法[D]. 门进杰.西安建筑科技大学 2007
硕士论文
[1]新型SMA自复位耗能支撑的研发及其性能研究与应用[D]. 刘震.东南大学 2017
[2]低屈服点钢剪切板阻尼器耗能减震分析等代模型的研究[D]. 孙曼.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：2930013
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?ＳＭＡ支撑构造示意图??
?山东大学硕士学位论文???Ｆ?Ｆ，个??—＞?ｍ?ｍ?＇Ｘ．??Ｆ〇?—???Ｒ?＝?Ｆ〇／Ｆｙ???／＂Ｉ．．．．．．Ｔ?Ｔ?＝?２ｎ＾ｌｋ??Ｆｙ—￣Ｔ］ａｋ?｜Ｋ．?—设计谱??ｋ?ｌ?４?｛?ＳＭＡ体系??！?Ｉ?！?ｕ??ｔ一丄一?丄…??Ｕ０?％??图２．２?ＳＭＡ支撑框架的简化ＳＤＯＦ模型??假设弹性系统的刚度为ｈ保持系统弹性所需的最小力为Ｆ。，对应的变形为??ｗ。。相应的非弹性体系在“屈服”强度Ｆｙ和相应的“屈服”位移＆下进入塑性??阶段，刚度减小到卸载后，结构恢复至初始位置并形成高度为，７的旗帜型??滞回曲线。由于ＳＭＡ支撑是系统中抵抗地震力的最主要构件，因此结构的抗震??性能主要受ＳＭＡ支撑影响。与研究［５５，５７］—致，非弹性位移比Ｑ？定义为当经受相??同的地震作用时，具有相同质量和初始刚度的弹性系统和非弹性系统，其相对于??地面的最大非弹性位移Ｈｍ与最大弹性位移ｗ。的比值，如下式所示：??ＣＲ＝＾?（２－１）??ｕ〇??式中，由恒定屈服强度得出，该屈服强度与维持系统弹性所需的强度有关。??两者之间的关系由强度折减系数／Ｔ衡量，定义为：??Ｒ?＝?Ｕ?（２－２）??Ｆｙ?Ｆｙ??式中，Ｆ。是维持体系弹性所需的最小力，它同样是相应的弹性体系中地震引??起的峰值抗力；Ｆｙ是非弹性体系的“屈服”强度；＆是在设计谱中与系统基本周??期对应的谱加速度。ｍ是质量，对于单自由度系统，ｗ是结构的总质量；而对于??多自由度系统，ｗ是第一振型的有效振型质量。??系统的变形需求也可以用延性系数／／来表示，定义为：??Ｍ?＝?—?（２－３）??ｕｙ??由图２
?山东大学硕士学位论文???条地震波中每条地震波单独计算的非弹性位移比的平均值。??４［?！??—???ＤＢＥ??，－－－平均值??３＿ｆ?，?｜?一冬ｉ值??°〇?１?〒一?一１??Ｔ（ｓ）??图２．３选用地震波的加速度响应谱??２．３单自由度系统结果统计分析??２．３．１基本周期的影响??图２．４总结了单自由度系统的所有抗震分析结果。总的来说，随着周期的増??力口，非弹性位移比Ｃｆｉ逐渐减小并收敛到单位１。当ｒ＜０．５ｓ时，周期对于Ｃｆｉ影响??明显。随着周期的减小，非弹性位移比通常明显增加，这说明结构的峰值非弹性??位移变得比峰值弹性位移大得多。这强调了量化ＳＭＡ支撑框架相对于弹性位移??增加的位移的必要性。在大多数情况下，当周期增大到０．５ｓ，非弹性位移比减小??到２以下。当周期大于Ｉｓ时，非弹性位移比值逐渐接近于单位１，即非弹性体系??的峰值位移与弹性体系的峰值位移近似相等。这说明在长周期范围内，等位移规??则［６９］仍然适用于基于ＳＭＡ的自复位结构。??２．３．２强度折减系数的影响??强度折减系数的取值为２、４、６和８。如图２．４所示，对于基于ＳＭＡ的??自复位系统，〇？通常随着及的增加而增加，这说明增加结构的强度有利于减少??最大非弹性变形。当Ｔ＝０．２０ｓ、ａ＝０．１０、ｙ９＝０时，将及从２增大到８，非弹性位移??比Ｃ／ｊ将从１．５５增大到４．０８；但是，当Ｔ＝３．０ｓ而ａ＝０．１０、户０时，非弹性位移比??Ｇｅ仅从０．９６增加到１．０９。这说明，随着Ｔ的增加，尺对的影响逐渐减弱。此??夕卜，划分等位移规则适用与不适用（大于弹性位移）的周期值似乎是一
【参考文献】：
期刊论文
[1]500 kV输电塔线体系强风荷载倒塌分析[J]. 陈城,许海源,王晨,张有佳. 工业建筑. 2019(12)
[2]自复位免修复摩擦耗能支撑性能研究[J]. 张艳霞,黄威振,刘安然,刘学春,李瑞. 振动与冲击. 2018(04)
[3]SMA螺旋弹簧消能支撑对框架结构的减震控制研究[J]. 劳悦敏,黄斌,陈军明,蒲武川. 武汉理工大学学报. 2017(08)
[4]H型钢芯自复位防屈曲支撑抗震性能研究[J]. 张爱林,封晓龙,刘学春. 工业建筑. 2017(03)
[5]基于形状记忆合金的自复位摩擦耗能支撑滞回性能[J]. 胡晓斌,刘坤,高良慧. 武汉大学学报(工学版). 2016(06)
[6]直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究[J]. 郑晓伟,苏明周,石鲁,秦瑞,王迪涛,王喆. 地震工程学报. 2016(05)
[7]自复位摩擦耗能支撑框架的抗震性能分析[J]. 胡丹,周臻,苗建义,王维影. 土木工程与管理学报. 2014(03)
[8]中心支撑钢框架结构基于性能的塑性抗震设计[J]. 熊二刚,张倩. 振动与冲击. 2013(19)
[9]高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法研究[J]. 熊二刚,张倩. 工程力学. 2013(09)
[10]钢筋混凝土框架结构基于性能的塑性设计方法[J]. 熊二刚,张倩. 西南交通大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计理论和方法[D]. 门进杰.西安建筑科技大学 2007
硕士论文
[1]新型SMA自复位耗能支撑的研发及其性能研究与应用[D]. 刘震.东南大学 2017
[2]低屈服点钢剪切板阻尼器耗能减震分析等代模型的研究[D]. 孙曼.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：2930013
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