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蝴蝶形钢板剪力墙—自复位钢框架结构体系性能研究

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蝴蝶形钢板剪力墙—自复位钢框架结构体系性能研究

作者：纪瑞苏州科技大学

学位级别：硕士

本文将抗侧能力及耗能能力突出的蝴蝶形钢板剪力墙和具有复位能力的自复位钢框架相结合,形成了新型蝴蝶形钢板剪力墙—自复位钢框架结构体系。在相关文献研究基础上,对蝴蝶形钢板剪力墙和自复位钢框架的刚度、承载力进行了理论分析,总... 详细信息

本文将抗侧能力及耗能能力突出的蝴蝶形钢板剪力墙和具有复位能力的自复位钢框架相结合,形成了新型蝴蝶形钢板剪力墙—自复位钢框架结构体系。在相关文献研究基础上,对蝴蝶形钢板剪力墙和自复位钢框架的刚度、承载力进行了理论分析,总结出相关设计公式。结合已有的性能设计目标和真实试验限制条件,设计出了研究所需要的基准试件BASE,并在BASE试件的基础上改变相关参数,设计出了3个系列共9个试件,通过有限元软件ANSYS对所有设计试件进行了模拟分析,获得试件的滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数曲线、刚度退化曲线和Von Mises应力云图和变形云图。在所得图形的基础上,围绕结构的延性、承载力、耗能能力和复位能力等进行细致的参数分析,得到了以下结论:1)将蝴蝶形钢板剪力墙引入自复位钢框架结构中,形成了新型的结构体系,解决了自复位钢框架结构耗能能力低的缺陷。2)总结和改进了蝴蝶形钢板剪力墙的初始刚度、极限承载力和自复位钢框架的初始刚度、复位刚度及转动刚度的相关公式,并遵循性能目标开展了试件的设计工作,对设计完成的试件进行了模拟研究,结果表明该类型结构可以兼顾耗能和复位,达到设计目标。3)改变蝴蝶形钢板剪力墙的厚度、蝴蝶杆高宽比和钢绞线的初始预应力,设计出3组共9个试件。利用有限元软件ANSYS对设计完成的3组试件进行了有限元分析,结果显示:试件的滞回曲线均呈现典型自复位结构的“双旗帜形”,所有试件在层间位移角为3%时并未出现明显的承载力的下降,说明该类型结构良好的延性性能;增加内填蝴蝶形钢板的厚度,可以显著增强结构的承载能力和耗能能力,但是复位能力会有所削弱;增加蝴蝶杆高宽比,降低了结构的承载能力和耗能能力,但是复位能力得以增强;增加钢绞线初始预应力,结构承载力和复位能力有所增强,但是耗能能力降低。4)内填蝴蝶形钢板剪力墙的自复位钢框架结构的性能是由钢板厚度、蝴蝶杆高宽比等因素共同影响的结果,在设计过程中,要予以综合考虑。

关键词：自复位钢框架蝴蝶形钢板剪力墙滞回曲线延性能量耗散系数复位性能梁柱自复位节点

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自复位肘节支撑钢框架抗震性能研究

自复位肘节支撑钢框架抗震性能研究

作者：李泽宇山东大学

学位级别：硕士

为解决目前自复位构件受材料弹性延伸率的限制而无法满足较大层间位移变形的问题,本文对现有的肘节支撑构造原理进行分析,得到了阻尼器设置在不同区域的层间侧移与阻尼器变形量之间的关系,提出了一种自复位肘节支撑系统,即把自复位阻尼... 详细信息

为解决目前自复位构件受材料弹性延伸率的限制而无法满足较大层间位移变形的问题,本文对现有的肘节支撑构造原理进行分析,得到了阻尼器设置在不同区域的层间侧移与阻尼器变形量之间的关系,提出了一种自复位肘节支撑系统,即把自复位阻尼器设置在肘节支撑的位移缩小区内。本文基于对常见肘节支撑系统的研究,通过理论分析和数值模拟,对自复位肘节支撑系统的抗震性能和设计应用进行了探索,主要内容如下:(1)以常见的肘节支撑形式为例,对阻尼器安装方法不同的肘节系统缩放系数进行推导,得到肘节支撑系统几何参数、框架层间侧移与附加阻尼器处位移缩放系数之间的理论关系,绘制了初始位移缩放区域分布图。(2)选取实际工程中地震作用受损的两层框架模型,设置人字形支撑连接阻尼器对其进行改造,改造后的框架作为基准体系。通过与基准框架具有相同初始刚度和屈服强度的自复位肘节框架进行地震响应分析对比研究,结果表明自复位肘节框架可以有效降低阻尼器的位移需求。(3)研究了参数相同、布置方案不同的阻尼器对结构整体抗震性能的影响。研究表明肘节支撑的初始缩放系数越大,在地震波作用下的峰值层间位移角越小,但可能会导致结构的峰值楼面加速度增大。(4)探索了在自复位基准框架、自复位肘节框架和原始框架上增设粘滞阻尼器,对比各方案抗震性能的提升。结果表明对比原始框架,自复位肘节框架中增设粘滞阻尼器可知,框架减震性能的提升并非单独一种阻尼器的简单叠加,两种阻尼器并用可以实现更好的减震效果。(5)提出了直接基于位移的自复位肘节支撑系统设计方法,使用该方法进行了算例分析设计,并建立了有限元模型进行非线性时程分析验证设计方法的可行性。分析结果表明,直接基于位移的设计方法可应用于自复位肘节支撑钢框架的设计;对于高层自复位肘节支撑结构,由于显著高阶模态的影响,高层段的楼面加速度响应偏大。

关键词：肘节支撑自复位钢框架阻尼器位移需求 OpenSees 减震控制

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不同柱脚连接的自复位钢梁框架抗震性能试验

哈尔滨工业大学学报 2020年第8期52卷 30-37页

作者：沈培文杨溥洪基豪杨熠明重庆大学土木工程学院重庆400045 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学) 重庆400045

为研究不同柱脚连接形式对带自复位工字钢梁的单层单跨钢框架抗震性能的影响,设计制作了两个柱脚分别为固接和铰接的自复位框架试件,通过低周往复荷载试验,分析了试件的受力发展过程、承载力、滞回特性、延性、耗能能力及自复位能力.研... 详细信息

为研究不同柱脚连接形式对带自复位工字钢梁的单层单跨钢框架抗震性能的影响,设计制作了两个柱脚分别为固接和铰接的自复位框架试件,通过低周往复荷载试验,分析了试件的受力发展过程、承载力、滞回特性、延性、耗能能力及自复位能力.研究表明:柱脚固接的自复位钢框架,由于柱脚屈服后所需的恢复力远大于自复位工字钢梁提供的复位拉力,残余变形较大,结构自复位效果较差,因此不建议将其作为此类结构的柱脚连接形式;柱脚铰接的自复位钢框架在试验过程中的受力发展过程与理论分析结果吻合良好,仅耗能元件发生塑性变形,卸载后残余变形较小,具有“可恢复功能结构”的特点;柱脚铰接的自复位钢框架,在4%层间位移角时骨架曲线仍未出现下降段,承载力储备充足,试件的位移延性系数为3.1,等效黏滞阻尼系数为0.19,具有较好的抗震性能.

关键词：自复位钢框架固接柱脚铰接柱脚低周往复荷载试验残余变形抗震性能

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SMA碟簧群的循环受压性能及简化模型

工程力学 2024年第7期41卷 163-175页

作者：赵秋红孙泽旺谭志伦天津大学建筑工程学院天津300350 滨海土木工程结构与安全教育部重点试验室(天津大学) 天津300350 天津市政工程设计研究总院有限公司天津300329

该研究提出将多个形状记忆合金(SMA)碟簧片并联排列形成碟簧组,然后在碟簧组间加入垫片分隔、串联排列形成碟簧群,以提供更高的承载力及变形能力。采用有限元软件ABAQUS建立了一系列SMA碟簧群的三维精细化有限元模型,并进行非线性循环... 详细信息

该研究提出将多个形状记忆合金(SMA)碟簧片并联排列形成碟簧组,然后在碟簧组间加入垫片分隔、串联排列形成碟簧群,以提供更高的承载力及变形能力。采用有限元软件ABAQUS建立了一系列SMA碟簧群的三维精细化有限元模型,并进行非线性循环受压分析。结果表明:与钢碟簧的“三角形”荷载-位移曲线相比,SMA碟簧群的荷载-位移曲线呈现鲜明的“旗帜形”特性,具有明显的正向及反向转变平台。随着碟簧片数的增加,碟簧组的总可恢复变形量基本不变,极限承载力及割线刚度近似成比例增加,而随着碟簧组数的增加,碟簧群的总可恢复变形量增加,极限承载力不变,割线刚度近似成比例降低。因此,可根据碟簧群总极限承载力及变形能力的需要,灵活调整碟簧片及碟簧组的数量及布置方式。碟簧组的各层碟簧片由于边界条件不同,应力分布存在明显差异,而变形量亦呈现两端大中间小的哑铃形分布模式,其中加载端碟簧片变形量最大,若超过极限变形量可能发生翻转失效,值得注意。提出了SMA碟簧群的简化模型,通过简化及精细模型的非线性循环受压分析,发现该简化模型的循环受压荷载-位移曲线与精细模型吻合良好,而计算效率提高约38倍。将SMA碟簧群应用于自复位NZ梁柱节点中,并对自复位钢框架进行了验证性的滞回分析。结果表明:采用SMA碟簧群的自复位钢框架最大侧移为4%时可完全复位,且二次刚度相比采用预应力钢绞线的传统自复位钢框架提高近100%,极限承载力提高70%。

关键词： SMA碟簧碟簧群循环受压性能简化模型自复位钢框架

基于SMA阻尼器的自复位柱脚节点抗震性能研究

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基于SMA阻尼器的自复位柱脚节点抗震性能研究

作者：李克凡山东大学

学位级别：硕士

在地震作用下,部分钢框架结构虽没有倒塌,但会出现较大的残余变形,导致震后的修复成本较高,甚至会超过重建成本。对此,本文考虑到SMA阻尼器的优异性能,提出了几种采用不同抗剪方式的新型自复位柱脚节点,分别是球入式、长圆孔抗剪板式、... 详细信息

在地震作用下,部分钢框架结构虽没有倒塌,但会出现较大的残余变形,导致震后的修复成本较高,甚至会超过重建成本。对此,本文考虑到SMA阻尼器的优异性能,提出了几种采用不同抗剪方式的新型自复位柱脚节点,分别是球入式、长圆孔抗剪板式、V形孔抗剪板式和齿状式等四种抗剪形式。SMA阻尼器由SMA棒材以及与之配合的耗能楔块组成。本文所提出的自复位柱脚节点,充分利用SMA阻尼器优异的自复位能力,极大地减小了建筑在震后的残余变形,降低了维修费用;同时,耗能楔块的存在使其具备优良的耗能能力。为了探究最优的抗剪形式以及验证该形式的自复位柱脚节点在整体框架结构中的抗震性能,本文进行了以下的工作:1、介绍了基于SMA阻尼器的新型自复位柱脚节点构造以及力学模型。对于该自复位柱脚节点的四种不同抗剪方式,分别研究了其侧向承载力与SMA阻尼器所提供的恢复力之间的关系,并建立了力学平衡方程,进一步分析了影响柱脚节点承载力的关键因素。2、为了研究新型自复位柱脚节点的抗震性能,通过有限元软件ABAQUS对其进行了模拟分析。在验证SMA阻尼器模型可靠的基础上,分析了不同参数对新型自复位柱脚节点性能的影响。分析结果表明:抗剪形式会影响柱脚节点性能,不同的抗剪形式抗震性能不同;因此,其适用范围也不同,但所有抗剪形式都有较好的自复位能力以及一定的耗能能力;同时,由于轴压力的提高,导致内部摩擦力增大,对不同抗剪形式的柱脚节点也带来了不同的影响;经分析对比,采用V形孔抗剪板的新型自复位柱脚节点性能最为优异。3、为了研究安装有新型自复位柱脚节点的整体框架的抗震性能,通过OpenSees程序进行了动力时程分析。通过对安装新型自复位柱脚节点的框架和原框架的动力学响应的对比分析得出,在地震作用下,采用新型自复位柱脚节点的框架结构不会使瞬时最大层间位移角增大,还可以有效地减小最大残余层间位移角。因此,自复位框架能有效控制结构的残余层间位移角,具有良好的自复位效果。

关键词：柱脚节点自复位阻尼器有限元模拟 OpenSees 自复位钢框架

蝴蝶形钢板剪力墙—自复位结构体系的二层结构试验研究

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蝴蝶形钢板剪力墙—自复位结构体系的二层结构试验研究

作者：孙玉康苏州科技大学

学位级别：硕士

蝴蝶形钢板剪力墙-自复位钢框架作为一种新型抗侧力结构,将具有后张拉节点的自复位钢框架和蝴蝶形板剪力墙相结合,让二者优势充分发挥。一方面,后张拉节点可以让钢框架梁柱基本保持弹性受力状态,而使塑性变形耗能主要集中在钢板剪力墙上... 详细信息

蝴蝶形钢板剪力墙-自复位钢框架作为一种新型抗侧力结构,将具有后张拉节点的自复位钢框架和蝴蝶形板剪力墙相结合,让二者优势充分发挥。一方面,后张拉节点可以让钢框架梁柱基本保持弹性受力状态,而使塑性变形耗能主要集中在钢板剪力墙上,从而有效控制整体结构的残余变形;另一方面,与连接角钢、摩擦板和摩擦螺栓等耗能构件相比,蝴蝶形钢板剪力墙耗能能力更强,在震后可以快速更换,降低维修成本。本文主要完成了以下工作:(1)通过简化的组合弹簧模型推导出蝴蝶形钢板剪力墙初始弹性抗侧刚度理论公式,利用虚功原理和位移法推导出试件的初始弹性抗侧刚度。(2)进行了两层单跨1/2缩尺的一个自复位钢框架结构及七个蝴蝶形钢板剪力墙-自复位钢框架结构的试验研究,着重分析了试件的承载力、滞回性能、耗能能力、复位性能、预应力高强度钢筋的内力变化曲线以及关键部位的应力分布规律。(3)在试验基础上,研究了蝴蝶形钢板墙的高厚比、高宽比和蝴蝶杆层数以及试件的初始预应力等参数对试件的承载力、滞回性能、耗能能力和复位效果等性能的影响。结果表明:随着钢板高厚比和高宽比的减小,试件的承载力和耗能能力增大,但残余变形随着高厚比减小而增加,且几乎不受高宽比的影响;蝴蝶杆层数越多,试件的承载力和残余变形越大,耗能越迅速,但最终耗能量相同;初始预应力越大,试件的承载力越大,耗能能力越弱,残余变形越小。(4)通过理论分析和试验研究,可以得出蝴蝶形钢板剪力墙-自复位钢框架结构在设计合理的情况下,能够实现耗能和复位的协调统一。

关键词：蝴蝶形钢板剪力墙自复位钢框架初始弹性刚度耗能能力复位能力

用于自复位结构的新型钢板剪力墙的抗震性能分析

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苏州科技大学学报（工程技术版） 2017年第1期30卷 1-6页

作者：李乾李启才苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室江苏苏州215011

为了研究薄钢板在自复位钢结构中的耗能以及复位能力,提出了一种新型钢板剪力墙。对其构造和工作原理进行了详细说明。通过有限元软件ANSYS对不同厚度的5个试件模型进行模拟,得出滞回曲线、骨架曲线、耗能曲线、承载力退化曲线及刚度退... 详细信息

为了研究薄钢板在自复位钢结构中的耗能以及复位能力,提出了一种新型钢板剪力墙。对其构造和工作原理进行了详细说明。通过有限元软件ANSYS对不同厚度的5个试件模型进行模拟,得出滞回曲线、骨架曲线、耗能曲线、承载力退化曲线及刚度退化曲线。随后,围绕着结构的强度、刚度、延性和复位性能,展开参数分析。分析结果表明:两侧加劲方管能有效约束试件的面外变形,使结构具有良好的复位效果;随着钢板厚度t的增加,整体结构的耗能能力和承载能力也会增强,但是复位性能会变差。

关键词：自复位钢框架新型钢板剪力墙滞回曲线环线刚度累积耗能能量耗散系数