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新型全钢防屈曲耗能支撑的性能试验与设计方法研究

作　者: 唐荣
导　师: 周云
学　校: 广州大学
专　业: 结构工程
关键词: 防屈曲耗能支撑 滞回性能 耗能系数 等效黏滞阻尼比 恢复力模型
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文对两类新型全钢防屈曲耗能支撑进行了研究，分别为三重方钢管防屈曲耗能支撑和新型板式防屈曲耗能支撑。通过对国内外相关防屈曲耗能支撑研究方法的总结，利用ABAQUS有限元软件，对三重钢管防屈曲耗能支撑和新型板式防屈曲耗能支撑进行有限元模拟，并根据有限元模拟分析的结果，设计了相应的的试验构件，通过有限元分析和试验研究验证了支撑的滞回耗能性能，提取了两类新型全钢防屈曲耗能支撑的恢复力模型，并采用ETABS和Seismostruct对一栋位于8度（0.30g）设防地震区的不满足层间位移角10层混凝土框架结构更换为普通支撑结构与三重方钢管防屈曲耗能支撑前后的地震反应分析，最后提炼了此两类新型全钢防屈曲耗能支撑的设计方法，并给了相应的设计算例。采用ABAQUS有限元软件研究了三重方钢管防屈曲耗能支撑核心受力钢管采用不同宽厚比对核心受力钢管的屈曲模态的影响，其后设计了25组不同工况的三重方钢管防屈曲耗能支撑，研究了核心受力钢管采用不同的开槽方式、开槽数量、开槽长度、开槽深度对于三重方钢管防屈曲耗能支撑的滞回耗能性能、承载力特性和应力分布特性的影响，研究表明：三重方钢管防屈曲耗能支撑滞回曲线饱满对称，耗能性能优良；采用环向开通方式、开槽数量在2~3个、开槽长度为13.3%~20%、开槽深度为10%~20%时，支撑具有良好的综合性能。设计了5个三重方钢管防屈曲耗能支撑试验构件，通过低周反复加载试验，以验证三重方钢管防屈曲耗能支撑的滞回性能，对比核心受力钢管削弱与不削弱支撑之间的性能差异，并与有限元结果进行对比，以期提炼出三重方钢管防屈曲耗能支撑的恢复力模型。试验结果表明：试验结果与有限元模拟结果吻合较好，核心受力钢管开槽削弱后，支撑能够实现“定点屈服”，三重方钢管防屈曲耗能支撑的恢复力模型均可简化为双线性模型。对于新型板式防屈曲耗能支撑的研究首先采用理论分析推导了支撑的轴向刚度、核心受力钢板的多波屈曲波长、支撑的整体稳定性与局部稳定性条件，在此基础上，设计了14组不同工况的新型板式防屈曲耗能支撑，采用ABAQUS有限元软件研究了其核心受力钢板开孔削弱对支撑的滞回耗能性能、承载力特性、应力分布特性以及对核心受力钢板轴向变形和外约束钢板侧向变形的影响，研究表明：新型板式防屈曲耗能支撑滞回曲线饱满对称，耗能性能优良；采用理论分析的结论设计的支撑能够满足整体与局部稳定要求；核心受力钢板横向开孔削弱在10%以内，纵向开孔削弱在40%~60%之间时，支撑具有良好的综合性能。最后设计了7个新型板式防屈曲耗能支撑试验构件，通过低周反复加载试验，以验证新型全钢防屈曲耗能支撑的滞回性能，对比核心受力钢板开孔削弱与不削弱试件之间的性能差异，并与有限元结果进行对比，以期提炼出新型板式防屈曲耗能支撑的恢复力模型。试验结果表明：试验结果与有限元模拟结果吻合一般，核心受力钢板开孔削弱后，支撑能够实现“定点屈服”，新型板式防屈曲耗能支撑的恢复力模型亦可简化为双线性模型。通过对三重方钢管防屈曲耗能支撑框架结构地震反应分析，发现耗能支撑发挥了优良的耗能减震效果。采用三重钢管防屈曲耗能支撑后，多遇地震作用下发挥普通支撑作用，增加结构抗侧刚度；罕遇地震作用下耗散输入结构的大部分能量。最后，通过理论分析和试验成果对此两类支撑的设计方法进行了初步研究，并给出了相应的算例。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
CONTENTS  13-17
第一章 绪论  17-35
  1.1 引言  17-18
  1.2 防屈曲耗能支撑构件的国内外研究现状  18-25
    1.2.1 混凝土约束型防屈曲耗能支撑  18-20
    1.2.2 全钢型防屈曲耗能支撑  20-24
    1.2.3 装配式防屈曲耗能支撑  24-25
  1.3 防屈曲耗能支撑框架的国内外研究进展  25-28
  1.4 防屈曲耗能支撑在实际工程中的应用  28-29
  1.5 防屈曲耗能支撑的标准化发展  29-30
  1.6 防屈曲耗能支撑研究存在的问题  30
  1.7 本文研究的目的、内容和意义  30-31
    1.7.1 研究目的  30
    1.7.2 研究内容  30-31
    1.7.3 研究意义  31
  参考文献  31-35
第二章 三重方钢管防屈曲耗能支撑有限元分析  35-67
  2.1 引言  35
  2.2 三重方钢管防屈曲耗能支撑的构造与特点  35-37
  2.3 三重方钢管防屈曲耗能支撑的模型设计  37-39
    2.3.1 模型设计目的  37
    2.3 2 模型设计组  37-39
  2.4 三重方钢管防屈曲耗能支撑有限元模型的建立  39-44
    2.4.1 有限元模型的简化  39
    2.4.2 部件类型  39
    2.4.3 材料本构  39-40
    2.4.4 接触关系  40-41
    2.4.5 单元类型  41
    2.4.6 网格划分  41-42
    2.4.7 加载制度  42-43
    2.4.8 核心钢管屈曲分析方法  43-44
  2.5 三重（方圆）钢管防屈曲耗能支撑的基本性能简单对比  44-45
  2.6 设计参数对三重方钢管防屈曲耗能支撑性能的影响分析  45-65
    2.6.1 核心受力单元不同宽厚比影响分析  46-49
    2.6.2 核心受力单元不同开槽方式影响分析  49-53
    2.6.3 核心受力单元不同开槽数量影响分析  53-54
    2.6.4 核心受力单元不同开槽长度的影响  54-55
    2.6.5 核心受力单元不同开槽深度影响分析  55-58
    2.6.6 支撑不同约束比影响分析  58-62
    2.6.7 钢管间不同间隙影响分析  62-65
  2.7 本章小结  65-66
  参考文献  66-67
第三章 三重方钢管防屈曲耗能支撑试验研究  67-91
  3.1 试件的加工与制作  67-70
    3.1.1 材料性能试验  67-68
    3.1.2 试验构件设计  68-70
  3.2 试验方案  70-71
    3.2.1 试验加载装置  70
    3.2.2 试验加载制度  70-71
  3.3 试验过程与试验现象  71-79
    3.3.1 TB-1 试件  71-73
    3.3.2 TB-2-A 试件  73-74
    3.3.3 TB-2-B 试件  74-76
    3.3.4 TB-3-A 试件  76-77
    3.3.5 TB-3-B 试件  77-79
  3.4 试验结果分析  79-89
    3.4.1 破坏特征与破坏模式  79-80
    3.4.2 滞回性能  80-83
    3.4.3 承载力特性  83-84
    3.4.4 塑性变形性能  84-85
    3.4.5 骨架曲线与恢复力模型  85-88
    3.4.6 有限元模拟与试验结果对比  88-89
  3.5 本章小结  89-90
  参考文献  90-91
第四章 新型板式防屈曲耗能支撑有限元分析  91-115
  4.1 引言  91
  4.2 新型板式防屈曲耗能支撑的构造与特点  91-93
  4.3 新型板式防屈曲耗能支撑的模型设计  93
    4.3.1 模型设计目的  93
    4.3.2 模型设计组  93
  4.4 新型板式防屈曲耗能支撑有限元模型的建立  93-95
  4.5 新型板式防屈曲耗能支撑核心受力钢板屈曲分析  95-96
  4.6 新型板式防屈曲耗能支撑的设计参数影响分析  96-113
    4.6.1 核心受力钢板不同削弱形式影响分析  96-99
    4.6.2 新型板式防屈曲耗能支撑理论分析  99-107
    4.6.3 新型板式防屈曲耗能支撑有限元分析  107-113
  4.7 本章小结  113-114
  参考文献  114-115
第五章 新型板式防屈曲耗能支撑试验研究  115-139
  5.1 试件的加工与制作  115-119
    5.1.1 材料性能试验  115-118
    5.1.2 试验构件设计  118-119
  5.2 试验方案  119-120
    5.2.1 试验加载装置  119
    5.2.2 试验加载制度  119-120
  5.3 试验过程与试验现象  120-129
    5.3.1 PB-1 试件  120-121
    5.3.2 PB-2 试件  121-122
    5.3.3 PB-3 试件  122-124
    5.3.4 PB-4 试件  124-125
    5.3.5 PB-5 试件  125-126
    5.3.6 PB-6 试件  126-127
    5.3.7 PB-7 试件  127-129
  5.4 试验结果分析  129-137
    5.4.1 破坏特征与破坏模式  129-130
    5.4.2 外约束钢板应变分析  130-131
    5.4.3 滞回性能  131-133
    5.4.4 承载力特性  133-134
    5.4.5 塑性变形性能  134-135
    5.4.6 骨架曲线与恢复力模型  135-136
    5.4.7 有限元模拟与试验结果对比  136-137
  5.5 本章小结  137-138
  参考文献  138-139
第六章 三重方钢管防屈曲耗能支撑结构地震反应分析  139-159
  6.1 原结构设计参数及模型验证  139-141
  6.2 普通支撑结构与防屈曲耗能支撑结构模型的建立  141-142
  6.3 地震波的选取  142-143
  6.4 多遇地震作用下结构地震反应  143-148
    6.4.1 层间位移角对比  143-144
    6.4.2 层间剪力对比  144-145
    6.4.3 顶层加速度时程对比  145-146
    6.4.4 框架柱内力对比  146-148
  6.5 罕遇地震作用下普通及防屈曲支撑框架弹性时程分析  148-152
    6.5.1 层间位移角对比  148-149
    6.5.2 顶层加速度时程对比  149
    6.5.3 顶层位移时程对比  149-150
    6.5.4 能量耗散分配对比  150-152
  6.6 罕遇地震作用下防屈曲支撑框架弹塑性时程分析  152-156
    6.6.1 模型的建立  152-154
    6.6.3 顶层位移时程对比  154-155
    6.6.4 能量耗散分析  155-156
  6.7 本章小结  156-157
  参考文献  157-159
第七章 新型全钢防屈曲耗能支撑设计方法初步研究  159-177
  7.1 新型全钢防屈曲耗能支撑统一设计理论  159-165
    7.1.1 核心受力单元设计  159-162
    7.1.2 约束单元设计  162-163
    7.1.3 连接段设计  163-164
    7.1.4 连接节点设计  164-165
  7.2 设计算例  165-176
    7.2.1 三重方钢管防屈曲耗能支撑设计算例  165-171
    7.2.2 新型板式防屈曲耗能支撑设计算例  171-176
  参考文献  176-177
第八章 总结与展望  177-181
  8.1 总结  177-178
  8.2 存在的问题  178
  8.3 展望  178-181
攻读硕士学位论文期间研究成果  181-183
致谢  183

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 金属结构 > 钢结构
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