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地震是严重危害人类生命和财产安全的自然灾害。一般的建筑结构在地震作用下依靠自身的阻尼来耗散地震能量,在大震作用下会带来结构自身的损害甚至倒塌。低屈服点钢材具有屈服强度低而变形性能强、延性好的特点,很适合作为建筑结构中的耗能部件,在地震作用下率先进入屈服米耗散地震能量。结合国内钢铁企业逐渐具有的低屈服点钢材量产能力,本文对基于国产(新型)极低屈服点钢材的耗能减震装置进行了研究。
本文对采用低屈服点钢材的三角形加劲耗能装置TADAS的构造形式进行了研究,通过理论分析和公式推导研究了TADAS在水平荷载作用下的受力特征,得出了TADAS的一系列性能指标,包括屈服位移、屈服荷载、水平抗侧刚度、屈服位移角、塑性荷载等。对适合于TADAS的滞回模型进行了介绍说明。
对六个采用不同材性低屈服点钢材的加劲耗能装置TADAS试件进行了低周反复加载试验研究,其中对TADAS2~5加载至50mm的极限位移,对TADAS-1在加载至50mm的基础上继续加载至90mm。利用有限元分析软件ANSYS对六个几何模型和物理模型与试验试件一致的TADAS进行了低周反复加载的数值模拟,并在此基础上对采用不同参数的24个TADAS进行了参数影响分析。
试验结果表明:TADAS滞回曲线非常饱满、无捏拢现象;随着位移的加大,后期的承载力还能继续提升;延性好,具有优越的变形性能和耗能能力;加载至远超过指定极限位移(mm)仍未出现明显破坏,可靠性高。与试验相对应的有限元分析结果表明:有限元分析与试验结果能较好地吻合,分析得出的模型滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和测点应变值均能较好地符合试验结果,基于试验结果和理论分析能预测TADAS真实耗能能力。参数影响分析结果表明:TADAS耗能片高度、厚度、宽度尺寸的改变对其各性能影响很大,其中影响最大的参数为耗能片高度和厚度,得出了计算TADAS极限承载力的建议公式。
对TADAS的设计方法、安装TADAS的耗能减震结构的两阶段分析和设计方法进行了研究,提出了确定TADAS耗能片厚度和数量的计算公式。对安装TADAS的减震框架和纯框架结构进行了多遇地震和罕遇地震作用下的时程分析,分析结果表明TADAS能显著减小结构地震反应,对算例结构位移的减小达到50%左右,并能显著减小结构在罕遇地震下的塑性变形。
本文研究证明了TADAS具有优越的耗能减震效果,在结构控制领域大有前途,值得进一步研究和推广运用。