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优化型金属消能连梁在不同加载速率作用下力学性能研究

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优化型金属消能连梁在不同加载速率作用下力学性能研究

作者：荀梓健中国地震局工程力学研究所

学位级别：硕士

随着经济的发展和社会的进步,高层框架-剪力墙(核心筒)结构越来越多地应用于我国的各大城市。历次震害表明,该类结构的地震损伤主要集中在剪力墙(核心筒)的连梁,震损后难以修复,这将影响建筑的使用功能。为了减少该部位的损伤,进一步提... 详细信息

随着经济的发展和社会的进步,高层框架-剪力墙(核心筒)结构越来越多地应用于我国的各大城市。历次震害表明,该类结构的地震损伤主要集中在剪力墙(核心筒)的连梁,震损后难以修复,这将影响建筑的使用功能。为了减少该部位的损伤,进一步提升整体结构的抗震性能和震后可恢复性,各国学者采用可更换消能连梁对结构进行减震设计,使结构在地震中的损伤主要集中在消能连梁,震后更换损伤的消能连梁,快速恢复整体结构的使用功能。剪切型金属消能连梁因性能稳定、成本较低被广泛应用于工程中。然而,目前各国学者对其研究存在两个问题:一是为了缓解应力集中和热焊接效应,对耗能片进行形状优化,但是大多基于数学优化方法,缺乏物理机理,而且常常会削弱消能连梁的承载能力;第二个问题是对金属消能连梁构件的力学性能研究,大多采用拟静力方法,但金属消能连梁是率敏感型构件,加载速率对其破坏形式、耗能能力等力学性能均有影响,不可忽略。本文针对以上两个问题,首先在保证消能连梁承载力的前提下,采用开倒角方式对耗能片进行局部优化,以缓解应力集中现象;然后,采用弹塑性力学相关理论,对耗能片形状进行全局优化,进一步提高延性和耗能能力;通过四种加载速率对两类优化型金属消能连梁以及传统工字型带肋金属消能连梁进行往复加载试验,结合有限元参数化分析,研究了本文两种优化方法对消能连梁性能提升的效果,以及应变率效应对消能连梁性能的影响;建立了金属消能连梁力-位移关系模型;本研究为金属消能连梁的优化设计与工程分析提供理论依据,为提高高层建筑的抗震性能及震后可恢复性提供技术支撑。论文主要完成了以下工作:1)设计了传统的工字型带肋金属消能连梁试件,采用四种不同的加载速率对四个相同构件进行往复加载试验,并结合数值模拟分析,研究了加载速率对该消能连梁破坏模式和力学性能的影响。通过回归试验和数值模拟得到的数据,建立了工字型带肋金属消能连梁力-位移关系模型。2)针对传统金属消能连梁存在的应力集中和热焊接效应问题,在不削弱消能连梁承载能力的情况下,对耗能片进行局部优化,设计了四个局部优化型金属消能连梁试件,采用四种不同速率进行往复加载试验。通过试验数据并结合数值模拟分析,研究了加载速率对该消能连梁破坏模式和力学性能的影响。通过回归试验和数值模拟得到的数据,建立了局部优化型金属消能连梁力-位移关系模型。3)为了进一步提升消能连梁力学性能,在对耗能片进行局部优化的基础上,基于弹塑性力学理论对耗能片的边缘进行整体优化,设计了四个全局优化型金属消能连梁试件,采用四种不同速率进行往复加载试验。通过试验数据并结合数值模拟分析,研究了加载速率对该消能连梁破坏模式和力学性能的影响。通过回归试验和数值模拟得到的数据,建立了全局优化型金属消能连梁力-位移关系模型。4)分别比较了三种金属消能连梁在四种加载速率工况下往复加载试验的结果,研究了加载速率对金属消能连梁破坏模式和力学性能影响。对同一速率作用下的破坏形式进行对比分析,并对累积耗能、承载力、等效刚度、粘滞阻尼系数等力学性能进行定量分析,比较了不同优化方式对金属消能连梁力学性能的提升效果。

关键词：消能连梁优化型加载速率力学性能本构关系模型

设置可更换低屈服波形钢腹板消能连梁的双柱墩抗震性能研究

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设置可更换低屈服波形钢腹板消能连梁的双柱墩抗震性能研究

作者：滕强长沙理工大学

学位级别：硕士

近年来,国内外大震频发,强震区的桥梁遭到了严重的破坏,尤其是作为主要抗侧力构件的桥墩发生剪切、弯曲、弯剪,系梁损伤等破坏,以致桥梁整体倾覆、倒塌,震后往往难以修复。研发新型可更换消能构件、建立震后功能可快速恢复桥梁结构体系... 详细信息

近年来,国内外大震频发,强震区的桥梁遭到了严重的破坏,尤其是作为主要抗侧力构件的桥墩发生剪切、弯曲、弯剪,系梁损伤等破坏,以致桥梁整体倾覆、倒塌,震后往往难以修复。研发新型可更换消能构件、建立震后功能可快速恢复桥梁结构体系,具有十分重要的意义。本文提出一种新型的低屈服波形钢腹板消能连梁应用于双柱墩横向联系,连梁作为耗能构件震后可更换,针对低屈服波形钢腹板消能连梁展开了一系列研究。具体研究内容和成果包括:(1)设计了 6个波形钢腹板消能连梁、3个工字钢连梁并对其进行低周反复试验研究。试验结果表明:波形腹板钢梁试件其破坏模式为翼缘屈曲失稳破坏,工字钢梁一般为翼缘-端板焊缝断裂,前者的滞回曲线相对饱满,波形钢腹板试件耗能能力优于工字钢试件;腹板采用低屈服钢材能够明显增加消能连梁的延性能力,低屈服波形钢腹板试件LYCB17具有最为优越的抗震性能;根据可更换波形钢腹板连梁的受力变形特点,给出可更换波形钢腹板连梁的设计原则及抗剪强度计算公式,得到可更换连梁的屈服承载力与屈服位移角的理论值,与试验值进行比较,验证建议公式的可行性与适用性。(2)运用有限元软件ABAQUS,建立试件CB17-1和LYCB17波形钢腹板连梁的简化数值模型,将数值分析结果与试验结果进行了对比分析,验证了模拟方法的正确性;再通过腹板材料、翼缘宽厚比、腹板厚度、跨高比与波形形状等影响因素进行了参数分析,对低屈服波形钢腹板连梁各参数给出合适的取值范围,为低屈服波形钢腹板消能连梁设计提供合理的建议。(3)设计低屈服波形钢腹板消能连梁双柱墩结构体系,提出一种震后横梁可更换的结构形式,采用有限元软件ABAQUS建立了三种桥墩的三维实体有限元模型,分别为无横梁双柱式桥墩(简称试件DCP)、钢筋混凝土横梁双柱式桥墩(简称试件RCB-DCP)以及低屈服波形钢腹板消能连梁双柱墩(简称试件LYCB-DCP),对三种桥墩模型进行低周反复加载。数值结果表明,低屈服波形钢腹板消能连梁的桥墩体系相对传统双柱式桥墩具有十分优越的抗震性能。

关键词：桥梁工程拟静力试验消能连梁抗震性能耗能能力有限元分析

带消能连梁的矩形空心双柱式高墩抗震性能试验研究

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工程力学 2020年第7期37卷 159-167页

作者：王源王天琦孙利民谢文宁波大学土木与环境工程学院宁波315211 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

基于震后功能可恢复的设计理念,按1/20几何缩尺比设计和制作了矩形空心双柱式高墩和带消能连梁的矩形空心双柱式高墩模型,开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验研究,分析了试件的破坏形态及过程,比较研究了试件的强度、累积滞回耗能、... 详细信息

基于震后功能可恢复的设计理念,按1/20几何缩尺比设计和制作了矩形空心双柱式高墩和带消能连梁的矩形空心双柱式高墩模型,开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验研究,分析了试件的破坏形态及过程,比较研究了试件的强度、累积滞回耗能、墩柱曲率和位移延性等抗震性能参数。试验结果表明:与普通的矩形空心双柱式高墩相比,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更好的耗能能力、承载能力和位移延性能力,消能连梁可有效减小墩柱曲率,从而有效降低了墩柱的地震损伤。因此,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更优良的抗震性能。

关键词：震后功能可恢复消能连梁耗能能力位移延性曲率拟静力试验

采用消能连梁的高层框架-核心筒结构减震方案分析

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土木工程与管理学报 2023年第1期40卷 34-39,70页

作者：朱柏洁张令心姜冰中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080 中国地震局工程力学研究所地震灾害防治应急管理部重点实验室黑龙江哈尔滨150080 上海市建工设计研究总院有限公司上海200235

高层框架-核心筒结构在我国大中城市应用较多,该类建筑往往功能复杂且内部人口密集,若地震中发生严重破坏将造成严重的经济损失和人员伤亡。为了有效控制该类结构地震损伤,利用截面优化型消能连梁对其进行减震设计,通过比较多种减震方... 详细信息

高层框架-核心筒结构在我国大中城市应用较多,该类建筑往往功能复杂且内部人口密集,若地震中发生严重破坏将造成严重的经济损失和人员伤亡。为了有效控制该类结构地震损伤,利用截面优化型消能连梁对其进行减震设计,通过比较多种减震方案对整体结构地震损伤控制的影响选择最优的减震设计方案。以某17层框架-核心筒结构为算例,采用***有限元软件建立数值模型,利用算例结构缩尺振动台试验现象以及截面优化型消能连梁拟静力试验结果,验证了该数值模型的准确性。进一步利用该数值模型对结构进行动力时程分析,通过层间位移角、损伤云图、附加阻尼比等指标综合对比各减震方案的效果。结果表明:消能连梁的刚度与原结构混凝土连梁相等,且强度略低于原结构混凝土连梁,约为0.8倍时,对整体结构的损伤控制效果最佳;当消能连梁在各楼层满布时,对结构整体的损伤控制效果最好;大震工况下,按上述满布方案设计的消能连梁可以减小结构26.3%的层间位移角,使结构的附加阻尼比达到8.73%。本研究为该类高层结构的消能减震设计提供了参考方案。

关键词：消能连梁高层框架-核心筒结构减震方案连梁布置截面优化

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消能连梁子结构试验研究

地震工程与工程振动 2014年第S1期34卷 743-749页

作者：施唯王涛孔子昂毛晨曦中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080

本文对带缝钢板阻尼器消能连梁进行了子结构试验研究,带缝钢板阻尼器通过预埋钢板与混凝土部分螺栓连接,与相同配筋的混凝土连梁相比,屈服强度为50%,刚度为80%,通过使阻尼器先于混凝土进入屈服,达到集中变形、耗散能量、控制损伤及震后... 详细信息

本文对带缝钢板阻尼器消能连梁进行了子结构试验研究,带缝钢板阻尼器通过预埋钢板与混凝土部分螺栓连接,与相同配筋的混凝土连梁相比,屈服强度为50%,刚度为80%,通过使阻尼器先于混凝土进入屈服,达到集中变形、耗散能量、控制损伤及震后快速恢复的目的。本文设计进行了1/3缩尺的连梁拟静力试验,相同加载工况下无控和有控试件的试验现象及力学性能对比表明,带缝钢板阻尼器消能连梁的刚度是混凝土连梁的80%,强度基本相同,混凝土部分破坏大幅削减,耗能明显提升。

关键词：消能连梁带缝钢板阻尼器高层建筑子结构试验损伤控制

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可更换消能连梁抗震性能试验

北京工业大学学报 2019年第3期45卷 236-242页

作者：朱柏洁张令心王涛中国地震局工程力学研究所哈尔滨150080 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080

为了解决高层混合结构地震损伤严重的问题,对其破坏集中的位置进行消能减震设计并进行试验研究.高层混合结构在我国应用广泛,实际地震震害以及振动台试验结果表明,该类结构损伤集中在核心筒连梁.而传统的钢骨混凝土连梁在剪切变形下往... 详细信息

为了解决高层混合结构地震损伤严重的问题,对其破坏集中的位置进行消能减震设计并进行试验研究.高层混合结构在我国应用广泛,实际地震震害以及振动台试验结果表明,该类结构损伤集中在核心筒连梁.而传统的钢骨混凝土连梁在剪切变形下往往过早破坏而提前退出工作,使得地震能量进一步传递给其他结构构件最终破坏.为此,设计了跨高比为1. 8和2. 5的可更换消能连梁.考虑了楼板对承载力的影响,对于消能连梁试件,楼板上浮30 mm.通过拟静力试验研究其关键力学性能,并检验公式的合理性.结果表明,消能连梁提前进入屈服,保护了墙体免受损伤;连梁根部锚固位置的弹性变形易导致连梁初始刚度下降,建议优化该部分构造,提高整体刚度;楼板上浮以后,对连梁承载力基本没有贡献;试验结果比设计公式计算结果偏小.

关键词：可更换消能连梁力学性能试验研究

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设置消能连梁的某框-剪结构抗震性能研究

地震工程与工程振动 2014年第S1期34卷 873-878页

作者：閤东东万金国苗启松北京市建筑设计研究院有限公司北京100045

对在连梁处设置软钢剪切型阻尼器的某框架-剪力墙结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了研究。分析结果表明,仅在底部加强区设置约束边缘构件时,结构不能满足大震不倒的设防要求,该结构剪力墙中约束边缘构件应通高设置,抗震构造措施提... 详细信息

对在连梁处设置软钢剪切型阻尼器的某框架-剪力墙结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了研究。分析结果表明,仅在底部加强区设置约束边缘构件时,结构不能满足大震不倒的设防要求,该结构剪力墙中约束边缘构件应通高设置,抗震构造措施提高后的结构能够达到大震设防目标,剪力墙累积受压损伤得到有效减小,各层连梁中的阻尼器均起到了较好的消能减震作用,提高了结构的整体抗震性能。

关键词：消能连梁罕遇地震框-剪结构动力分析

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采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

地震工程与工程振动 2016年第4期36卷 9-18页

作者：孔子昂王涛施唯潘鹏中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点试验室黑龙江哈尔滨150080 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室北京100084

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情... 详细信息

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%-42.0%的层间位移角和41.0%-44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。

关键词：消能连梁带缝钢板阻尼器 RC框剪结构地震响应分析子结构混合试验

高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论

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地震工程与工程振动 2017年第6期37卷 79-89页

作者：景铭戴君武刘永彬中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080

本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例,采用ETABS软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题。以阻尼器刚度、设计极限位移、附加阻尼比等参数为基本参量,以层间位移角和层间剪力... 详细信息

本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例,采用ETABS软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题。以阻尼器刚度、设计极限位移、附加阻尼比等参数为基本参量,以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标,对比研究了阻尼器空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律。验证了阻尼器刚度参数变化影响结构主振周期变化,进一步影响层间剪力减震效果;阻尼器设计极限位移参数变化引起结构整体耗能能力变化,即阻尼器的设置增加了结构附加阻尼比尤其是大震附加阻尼比,使结构大震作用下的层间位移反应得到有效控制。给出了如下设计建议:当在高层剪力墙结构中采用消能连梁进行消能减震设计时,应尽可能将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处,并使阻尼器的设计屈服位移和极限位移分别与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配。在设计过程中应通过调整阻尼器刚度尽可能延长消能减震结构的基本振动周期,优化阻尼器布设位置和数量,最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献,达到显著降低结构地震反应的目的。

关键词：高层剪力墙结构消能连梁附加阻尼比刚度自振周期