预压碟簧自恢复耗能支撑及支撑子结构抗震性能研究

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为减小结构震后残余变形,提高其抗震性能,本文提出一种由碟簧提供恢复力,摩擦装置耗能的新型自恢复耗能支撑-预压碟簧自恢复耗能(Pre-pressed Disc Springs Self-centering Energy Dissipation,简称PS-SCED)支撑。建立了描述PS-SCED支撑的滞回响应预测模型,并试验研究了该支撑的滞回响应特性,数值模拟分析了设有该支撑的子结构抗震性能。主要研究内容如下:(1)对分别提供耗能能力和自恢复能力的摩擦装置和碟簧装置的滞回模型进行了研究,基于此,建立了支撑滞回特性预测模型。在低周往复荷载作用下对支撑的抗震性能进行了数值模拟分析,结果表明,支撑具有稳定旗形滞回曲线、较强耗能能力及很好自恢复性能。(2)加工制作了一1.8m PS-SCED支撑构件,并对其进行了相同碟簧预压力不同摩擦力三种工况下的低周往复加载试验。结果表明,支撑旗形滞回曲线具有稳定的第一、第二刚度,其耗能能力随着摩擦装置中摩擦力的增大而增强,变形率为1.36%时仍处于弹性状态,具有较好延性,支撑残余变形可通过调整碟簧预压力与初始摩擦力的比值进行控制。预测模型与试验的滞回曲线吻合较好,预测模型能够较好的反映支撑构件的实际受力情况。(3)对采用PS-SCED支撑与普通支撑的单层单榀框架子结构的抗震性能进行了数值模拟对比分析。结果表明,PS-SCED支撑子结构在动力荷载作用下具备良好的耗能能力及自恢复性能,与普通支撑子结构相比,PS-SCED支撑子结构承载能力提高44%,累积滞回耗能能力提高20%,残余变形角减小64%,PS-SCED支撑可有效提高结构的整体抗震性能。(4)对PS-SCED支撑分别通过刚接和铰接与结构组成的支撑子结构进行了抗震性能模拟分析,结果表明,铰接支撑子结构具有更好的延性、更稳定的旗形滞回性能、更高的承载力,对自身残余变形具有更好的控制能力;刚接支撑受力性能受连接板传递弯矩影响较大。铰接支撑耗能能力是刚接支撑的1.4-2.3倍,对结构的耗能贡献比刚接支撑提高了34%-40%,铰接支撑最大残余变形为刚接支撑的25.5%,基本消除了残余变形。
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