抑制屈曲支撑(BRB)及采用BRB的钢框架抗震性能分析与设计

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本文采用我国Q235B钢和两种无粘结材料设计制作了四组八个抑制屈曲支撑试件,并进行了拟静力试验研究,同时基于ANSYS对抑制屈曲支撑构件进行了有限元分析,分析了其构造形式对构件性能的影响。采用静力和动力弹塑性分析的方法,对抑制屈曲支撑钢框架抗震性能进行了分析,并与普通支撑钢框架的抗震性能进行了对比。针对抑制屈曲支撑构件及其钢框架的延性性能目标,对抑制屈曲支撑钢框架进行了抗震性能设计。总结全文研究成果,提出了抑制屈曲支撑及其钢框架结构的设计建议。具体完成了如下工作:  (1)进行了八个采用我国Q235B钢制作的抑制屈曲支撑试件的拟静力试验,主要研究我国生产的Q235B钢和两种无粘结材料是否适合抑制屈曲支撑的加工制作和性能要求。提出了选择无粘结材料和确定无粘结材料厚度的方法,以保证内核单元的多模态稳定性能,并降低拉压承载力的不平衡。详细阐述了抑制屈曲支撑的加工制作过程,分析了如何采用合理的构造形式保证支撑的稳定性能,提高支撑的滞回耗能性能。着重分析了采用不同节点连接形式时试件的失效模式和破坏机理,研究了同类试验没有涉及的铰接节点形式,观察连接部位是否先于支撑构件破坏,了解支撑整体性能的薄弱环节。并基于我国规范给出了外伸段钢板宽厚比的限值;  (2)研究了抑制屈曲支撑在拟静力荷载作用下的性能,包括:滞回性能、恢复力模型、最大延性、累积延性、初始刚度和刚度退化等重要参数。通过试验所得的滞回曲线求得构件的耗能量、耗能比及等效阻尼比,衡量构件的耗能能力。分析了内核单元与外包钢管混凝土的共同工作性能。推导了考虑到抑制屈曲支撑试件存在初始缺陷,焊接残余应力影响时,不同节点连接形式支撑构件的稳定承载力,研究了端部节点连接形式对支撑整体稳定和滞回性能的影响。分析了支撑屈服后刚度、拉压强度调整系数、耗能量、耗能比和等效粘滞阻尼系数与支撑延性系数的关系。系统比较了十字形截面和一字形截面内核单元抑制屈曲支撑加工制作的难易和滞回耗能性能的差异;  (3)给出了抑制屈曲支撑整体稳定和内核单元多模态稳定承载力验算公式。采用理论推导和有限元分析的手段研究了约束系数和初始缺陷对抑制屈曲支撑整体稳定性能的影响。讨论了内核单元多模态屈曲产生的原因及其导致的支撑受力过程中性能的改变,着重分析了支撑内核单元与外包钢管混凝土之间间隙的大小对支撑构件受力性能的影响。对支撑外包约束单元抗剪承载力和外伸连接段扭转和弯曲稳定承载力进行验算。分析了影响支撑延性性能的因素,将试验结果与理论分析的结果进行了对比;  (4)给出了抑制屈曲支撑提高钢框架结构抗震性能作用的量化指标。将能力谱法引入抑制屈曲支撑钢框架的分析中,讨论了采用考虑高阶振型影响的Pushover分析侧向力加载模式和结构位移形状向量对提高能力谱法分析精度的作用。讨论了支撑选取方式对结构体系地震响应的影响,分析了分别基于支撑与框架刚度比、结构层间位移角的分布和结构层间剪力的分布选取支撑时,结构体系抗震性能的差异,并研究了支撑内核单元采用不同屈服强度的钢材(极低屈服点钢和我国的Q235B钢)对结构地震响应产生的影响。本文对抑制屈曲支撑和普通钢支撑的稳定性能、延性和耗能能力及其钢框架结构的抗侧力和抗震性能作了系统的对比分析,针对哈尔滨地区一栋20层的实际工程,对分别布置普通钢支撑与抑制屈曲支撑时钢框架结构的抗震性能进行了对比分析。  (5)分析了结构体系及抑制屈曲支撑构件的延性与结构总的有效阻尼比的关系。给出了基于我国规范要求的抑制屈曲支撑钢框架中支撑延性需求的估算方法以及结构最大楼层延性与最大整体延性的关系。基于抑制屈曲支撑钢框架的延性性能目标,给出了基于与延性相关的变形和能量的抗震性能设计流程和多层钢框架结构算例。并提出了一种直接基于我国抗震规范反应谱建立高阻尼弹性和非弹性需求谱,进行抗震性能设计的方法。最后总结全文分析的结果,提出了满足我国规范要求适合我国国情的抑制屈曲支撑及其钢框架的设计建议。
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