屈曲約束支撐滯回性能及框架抗震能力研究

屈曲約束支撐滯回性能及框架抗震能力研究屈曲約束支撐是一種金屬屈服耗能裝置,同時也是一種不發(fā)生整體屈曲的鋼支撐抗側(cè)力構(gòu)件,由核心部件、約束部件、無粘結(jié)材料或間隙三部分組成。小震時,屈曲約束支撐保持彈性,為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度;中震或大震時,屈曲約束支撐通過約束部件有效抑制核心部件的整體屈曲或大幅局部屈曲,從而充分利用金屬屈服后的滯回性能耗散地震能量,減小結(jié)構(gòu)響應(yīng),避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重損傷。屈曲約束支撐根據(jù)外圍約束部件的不同,可分為鋼管混凝土屈曲約束支撐和全鋼屈曲約束支撐。其中,全鋼屈曲約束支撐加工制作方便,但其細部構(gòu)造有待優(yōu)化,經(jīng)濟有效的支撐截面形式仍需拓展,其在結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用仍可深入探究。針對上述問題,本文通過理論解析、試驗研究和數(shù)值模擬等方法,分別從支撐共性構(gòu)造、新型支撐約束機制及其在框架抗震能力加固中的應(yīng)用等方面對全鋼屈曲約束支撐及結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:在第2章中,深入研究了屈曲約束支撐核心部件共性構(gòu)造對低周疲勞性能的影響,為新型全鋼屈曲約束支撐的研發(fā)提供了設(shè)計建議:通過試驗評估了核心部件過渡段的截面過渡方式、彈性段和過渡段伸入約束部件長度等構(gòu)造尺寸對一字形核心全鋼屈曲約束支撐累積塑性變形和失效模式的影響;結(jié)合有限元分析,對比了核心部件不同構(gòu)造所引起的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象,揭示了改進設(shè)計后試件低周疲勞性能提高的原因。結(jié)果表明,采用圓弧形過渡方式以及增加彈性段和過渡段伸入約束部件長度,可改善核心部件的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象,顯著提高其低周疲勞性能。在第3章中,首次研究了無粘結(jié)材料對全鋼屈曲約束支撐滯回性能的影響,為新型全鋼屈曲約束支撐的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ).:通過試驗對比了采用和未采用無粘結(jié)材料的一字形核心全鋼屈曲約束支撐的滯回曲線、失效模式和累積塑性變形能力;對核心部件的多波屈曲行為進行了理論推導(dǎo),給出了支撐受壓承載力調(diào)整系數(shù)的估算公式;通過有限元分析了核心板和約束部件之間接觸力以及核心板沿縱向的應(yīng)變集中現(xiàn)象;結(jié)合試驗和有限元參數(shù)分析,提出了無約束寬厚比、平面外間隙等相關(guān)設(shè)計建議。研究結(jié)果表明,采用無粘結(jié)材料的試件滯回性能優(yōu)于未采用無粘結(jié)材料的試件。實際應(yīng)用時,全鋼屈曲約束支撐的核心板和約束部件之間可不采用無粘結(jié)材料,但對于屈服段長度較長、厚度較小的高性能屈曲約束支撐,應(yīng)采用無粘結(jié)材料。在第4章中,提出了屈曲約束支撐新型部分約束機制,其核心部件只有部分區(qū)域被約束部件包裹,使支撐約束部件利用效率提高且震后損傷情況可測:結(jié)合第2章和第3章中支撐構(gòu)造的設(shè)計建議,開發(fā)了新型一字形核心全鋼屈曲約束支撐,通過試驗對比了新型屈曲約束支撐和普通屈曲約束支撐的滯回性能和核心部件的多波屈曲行為;通過有限元分析研究了新型屈曲約束支撐核心板表面接觸應(yīng)力、波長以及縱向應(yīng)變分布等參數(shù)。結(jié)果表明,新型屈曲約束支撐的無約束寬厚比bu/t不超過5時,其各方面性能與相應(yīng)普通屈曲約束支撐接近。在第5章中,提出了新型一字形核心屈曲約束支撐的設(shè)計建議,并為部分約束新機制的應(yīng)用和新型H形核心屈曲約束支撐的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ):將核心板無約束段等效為單向均勻受壓四邊簡支板,推導(dǎo)了彈性和彈塑性屈曲荷載,并得出彈塑性臨界寬厚比(bu/t)cr;研究平面外間隙d、核心板厚度t、約束段總寬度b-bu、無約束段寬度bu以及無約束寬厚比bu/t等參數(shù)對支撐性能的影響規(guī)律;提出兩個性能水準下新型屈曲約束支撐的相關(guān)設(shè)計建議。在第6章中,拓展了部分約束機制在H形核心屈曲約束支撐中的應(yīng)用,研究了不同邊界條件的部分約束核心部件的變形規(guī)律,為新型H形核心屈曲約束支撐的研發(fā)及其在支撐框架中的加固應(yīng)用提供了設(shè)計原則:提出了端部加強和中部削弱H形核心屈曲約束支撐;試驗評估了兩種新型H形核心屈曲約束支撐的滯回性能和核心部件的屈曲形態(tài);結(jié)合有限元分析了約束部件螺栓的失效以及核心部件翼緣單側(cè)的接觸力;提出了兩種支撐核心部件翼緣無約束寬厚比的設(shè)計建議。在第7章中,提出了將支撐框架體系中H形普通支撐轉(zhuǎn)化為屈曲約束支撐的加固新思路,分析了屈曲約束支撐框架抗震能力:設(shè)計了8度(0.20g)區(qū)的3層和9層既有中心支撐框架,并根據(jù)第6章端部加強和中部削弱兩種思路,提出兩種構(gòu)件層次的抗震加固方案,給出支撐翼緣每側(cè)約束寬度