高延性竖向桁架-铰接框架的设计方法研究

作     者：张百城 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴京

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：摇摆桁架 屈曲约束支撑 设计方法 振动台试验 动力响应 

摘      要：建筑工业化是未来建筑业发展的大势所趋,我国在近些年来已在此方面取得了一定的发展。但构建标准化程度不高,生产效率也得不到提升,依旧限制着建筑工业化的全面发展。目前使用的传统框架结构需要考虑水平荷载与竖向荷载的组合效应,受力复杂,不利于实现构件的标准化与模块化,也不利于构件自重的减轻与现场安装工作。因此为适应建筑业发展需求,本文采用新型分离式承载体系即高延性竖向桁架—铰接框架体系。该结构通过底部带BRB的摇摆桁架承担水平荷载并控制结构的变形模式,铰接框架承担重力荷载。采用这种结构体系可使梁柱受力条件统一,便于构件标准化模块化制作;竖向桁架拥有优越的性能,结构损伤集中于屈曲约束支撑中,便于震后快速更换,恢复建筑正常使用功能。本文针对该结构体系进行了性能分析并提出了基于反应谱的设计方法,通过振动台试验及数值模拟验证设计成果,具体研究内容和成果如下:（1）介绍了高延性竖向桁架-铰接框架结构体系的组成和工作模式,根据实际背景工程,运用SAP2000建立有限元模型,对结构进行了非线性分析。结果表明,该结构的层间位移角满足规范要求,且层间位移较为均匀,高延性竖向桁架的加入控制了框架结构的变形模式,避免了出现集中塑性损伤的情况。且BRB的加入使结构在小震下提供侧向刚度,在大震下能通过其良好的滞回性能耗散能力。BRB屈服后,摇摆桁架的内力还具有可观的增量,研究了该结构体系屈服后的内力响应,提出了地震动强度叠加法。结合我国抗震规范,提出了基于弹性反应谱的设计方法,将结构分成ESCS和PHCS后分别进行谱分析再叠加,结果表明该设计方法能包络住大部分地震波所产生的轴力,具有较强的工程应用价值。（2）针对地震模拟振动台试验对原型结构进行了缩尺设计,根据试验需求确定了基本参数,推导出本次试验所采用的相似比,计算出所需人工附加质量。对试验模型结构进行了构件选型及布置,并对关键节点及BRB进行了重点设计。选取3条符合要求的地震波,确定加载顺序及工况。对加速度传感器、位移传感器、应变片进行了合理布置。（3）根据振动台试验,对高延性竖向桁架-铰接框架结构体系的试验数据进行了分析。结构在试验过程中并未出现明显损坏现象,可认为上部摇摆桁架保持弹性,也证明了本文采用的设计方法是安全可靠的。通过白噪声扫描,发现结构在小震下频率并未发生明显变化,中震后频率下降,阻尼比上升,表明BRB开始滞回耗能,保护主体结构。加速度放大系数最大值随PGA增大而减小,随楼层增加而增大。水平位移最大值随PGA增大而增大,随楼层增加而增大,层间位移角也满足相关限值要求。结构内力也随PGA增大而增大,但BRB屈服后速率明显放缓。（4）采用SAP2000建立三维有限元模型,将实际振动台输出地震波作为荷载输入,与试验结果进行对比分析。有限元模型所得出的水平位移最大值、内力响应最大值,BRB轴力最大值与试验结果趋势大体一致,数值上有所误差。误差原因可能在于环境噪声的影响。