全鋼自復(fù)位屈曲約束支撐框架抗震性能研究.pdf

1、自復(fù)位屈曲約束支撐(self-centering buckling-restrained brace, SCBRB)通過自復(fù)位系統(tǒng)限制屈曲約束支撐(buckling-restrained brace，BRB)的殘余變形，兼顧了滯回耗能和減小結(jié)構(gòu)殘余變形的雙重目標(biāo)。SCBRB中自復(fù)位系統(tǒng)所采用的筋材非常重要，決定了SCBRB的力學(xué)性能、變形能力以及制作成本。而目前自復(fù)位系統(tǒng)常采用的纖維筋材(fiber reinforcedsolyper,

2、 FRP)和形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)，分別因FRP錨固有效性有待研究和SMA成本較高、性能易受溫度影響，阻礙了SCBRB的發(fā)展和應(yīng)用。具有較高彈性模量的預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能穩(wěn)定、錨固可靠、價格低廉，相對于FRP和SMA，用在自復(fù)位系統(tǒng)中具有一定的優(yōu)勢，但由于其彈性延伸率不高，限定了SCBRB的變形能力，本文為此展開理論和數(shù)值解析研究，主要完成的工作如下:
　　(1)深入分析SCBRB各組件及整體的

3、力學(xué)機(jī)理，特別針對SCBRB自復(fù)位的要求進(jìn)行了詳細(xì)分析。在一般SCBRB的基礎(chǔ)上，通過合理的構(gòu)造設(shè)計，提出了一種串聯(lián)雙組預(yù)應(yīng)力鋼絞線的SCBRB(steel tendon SCBRB，ST-SCBRB)，針對其工作機(jī)理、構(gòu)件構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)闡述:串聯(lián)雙筋自復(fù)位系統(tǒng)由內(nèi)、中、外三個套筒或組合鋼部件、兩組預(yù)應(yīng)力鋼絞線、兩組錨板組成，使得ST-SCBRB的軸向變形為每組預(yù)應(yīng)力筋變形的兩倍，從而提高了SCBRB的變形能力，降低了支撐對預(yù)應(yīng)力筋的變

4、形要求;支撐的內(nèi)筒和中筒不僅作為自復(fù)位系統(tǒng)的傳力部件，而且能精確約束BRB核心板的平面內(nèi)和平面外屈曲，中筒和外筒均可由螺栓拼接形成，方便安裝和更換核心板。在理論分析的基礎(chǔ)上，給出了ST-SCBRB的設(shè)計實(shí)例。
　　(2)建立了一般SCBRB的OpenSees有限元模型，并與已有SCBRB的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了OpenSees建模方法的有效性;接著在一般SCBRB的基礎(chǔ)上建立了ST-SCBRB的有限元模型，針對ST-SCBRB各

5、部件的設(shè)計進(jìn)行了參數(shù)化分析，為后續(xù)ST-SCBRB應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的分析做準(zhǔn)備;提出了SCBRB結(jié)構(gòu)應(yīng)用的簡化分析模型，通過與理論計算或試驗結(jié)果對比，驗證了數(shù)值模型和分析方法的合理性，同時表明簡化分析模型中自復(fù)位系統(tǒng)的第一剛度應(yīng)適當(dāng)減小，以考慮構(gòu)件加工和組裝誤差對支撐性能的影響。
　　(3)針對SCBRB“等強(qiáng)原則”的研究方法進(jìn)行了全面的討論，并以BRB框架為參照，進(jìn)行了ST-SCBRB各部件對框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響的參數(shù)化分析，結(jié)果表明

6、:與BRB“等強(qiáng)原則”的設(shè)計方法不能唯一確定SCBRB各部件的參數(shù)，且該設(shè)計并非最優(yōu)方案，可采用基于結(jié)構(gòu)性能的初步設(shè)計思想，根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和所采用的筋材調(diào)整SCBRB核心板和預(yù)應(yīng)力筋的面積，達(dá)到最優(yōu)配置;通過多條地震波分析得出，ST-SCBRB能很好的控制結(jié)構(gòu)的殘余變形，在減小結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)方面與BRB框架相當(dāng)，甚至優(yōu)于BRB框架，并且具有很大的保證率。
　　(4)考慮結(jié)構(gòu)的空間作用和三向地震作用，建立了三維振動臺試驗?zāi)Ｐ?，驗證