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耗能连接的石灰石粉—粉煤灰—矿渣混凝土框架—剪力墙结构抗震性能研究

耗能连接的石灰石粉—粉煤灰—矿渣混凝土框架—剪力墙结构抗震性...

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作者：孙腾中国矿业大学

学位级别：硕士

石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土耗能连接框架-剪力墙结构是一种使用课题组自研混凝土配方的新型装配形式的结构,通过高强螺栓与预埋件将构件连接起来,依据金属拉压阻尼耗能原理对翼缘连接板进行改进,利用削弱孔洞上部翼缘板的屈服变形实现... 详细信息

石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土耗能连接框架-剪力墙结构是一种使用课题组自研混凝土配方的新型装配形式的结构,通过高强螺栓与预埋件将构件连接起来,依据金属拉压阻尼耗能原理对翼缘连接板进行改进,利用削弱孔洞上部翼缘板的屈服变形实现地震作用下能量的吸收与耗散。此外,物理试验构件浇筑混凝土的原材料配方为课题组自研,使用粉煤灰和矿渣代替一部分传统水泥作为胶凝材料,从而节省传统建材,并且经过同条件混凝土立方体试块抗压试验,均可以达到试验要求强度。这种连接形式省去传统后浇带湿作业装配,工厂预制好构件后,方便施工且可以减少污染、节省资源。本文立足于徐州本地选取试验原型,基于徐州不同地区不同抗震设防烈度区设置了6个不同结构形式、不同混凝土强度、不同配筋率的框架-剪力墙结构来对比验证新型装配式框架-剪力墙结构的抗震性能。本文通过PKPM创建原型建筑的计算模型获得所选隔离体的最大层间位移角、最大层间位移、墙柱轴压比等参数,并将其运用于物理试验以及ABAQUS数值模拟中。本文通过物理试验和有限元数值模拟软件ABAQUS相结合的方式对新型装配式框架-剪力墙进行抗震性能分析,研究其破坏形态、破坏过程、应力分布和发展情况、耗能能力、延性、极限承载力、刚度退化等力学性能。并利用ABAQUS建立变参模型,研究翼缘连接板厚、墙柱轴压比、翼缘连接板孔洞尺寸、形状、螺栓预紧力、钢材强度对结构力学性能的影响。结合有限元软件对连接区隔离体的数值计算结果,通过对连接区极限抗弯承载力的理论分析提出了新型耗能连接区极限抗弯承载力的计算公式以及结构设计和制作施工建议。本文的主要结论和创新成果如下:(1)装配式框架-剪力墙破坏发展过程和现浇结构基本相同,但破坏形态不相同。装配式构件节点裂缝数量明显小于现浇构件,连接区的存在可以使结构在地震作用下塑性铰出现位置远离节点,有效的保护节点。装配式构件骨架曲线更加饱满,耗能能力更突出,结构极限承载力相差不大。装配式结构割线刚度在相同位移等级下比现浇构件高2%～23%,并与混凝土强度、配筋率有关。(2)在与物理试验相同边界条件、几何尺寸、材料属性等条件下进行的有限元数值计算结果和试验结果基本相同,混凝土损伤云图发展过程和试验混凝土裂缝和压溃现象发展过程保持一致。极限承载力结果与物理试验不太相同,分析是数值计算无法模拟构件混凝土和钢筋的滑移效应以及试验浇筑构件时气温较低,以及加载方式存在微小区别对结果产生影响。(3)得到了翼缘连接板塑形发展规律以及应力分布,连接区应力分布情况。在水平力作用下,翼缘连接板孔洞削弱处首先进入屈服阶段,并在试验结束时控制塑形变形范围在翼缘连接板内,达到了“金属塑性变形耗能”和“震后易修复”的目的。得到了柱墙钢筋笼应力发展情况,墙底部和柱底部纵筋在试验结束时均发生屈服。(4)得到了不同参数对装配式框架-剪力墙结构力学性能的影响。通过对比可知,当翼缘板厚度为8mm时结构不仅有较高的连接区极限抗弯承载力,其在水平力作用下还可发生塑形变形实现耗能;轴压比对结构骨架曲线的影响较为明显,可以有效地提高结构承载能力和刚度,但对结构屈服强度影响较小;螺栓预紧力应按照规范要求施加。采用Q345钢材使得结构屈服强度、极限承载力、初始刚度都有微小的提高。(5)得到了连接区极限抗弯承载力理论分析的结果并且提出了计算公式,使连接区塑形变形有限的发展,控制在翼缘连接板翼缘孔洞上方或者翼缘连接板全截面,从而得出两种计算公式,结合有限元模拟验证计算公式结果,误差在14.9%～26.6%,给出了新型连接装配式结构设计和制作施工建议。该论文有图69幅,表13个,参考文献152篇。

关键词：螺栓连接金属屈服耗能石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土抗震性能框架-剪力墙

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内含U型耗能元件支吊架抗震性能及应用研究

内含U型耗能元件支吊架抗震性能及应用研究

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作者：冯金星哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

传统的抗震支吊架与建筑主体结构连接,能够限制建筑附属机电设备在地震作用下的位移响应。已有研究表明,现有的抗震支吊架存在拉压作用下的力学性能差异较大、初始刚度较大、抗震连接件的应力水平远大于抗震斜撑的应力水平等问题,这将... 详细信息

传统的抗震支吊架与建筑主体结构连接,能够限制建筑附属机电设备在地震作用下的位移响应。已有研究表明,现有的抗震支吊架存在拉压作用下的力学性能差异较大、初始刚度较大、抗震连接件的应力水平远大于抗震斜撑的应力水平等问题,这将导致机电管线设备在地震作用下会受到来自支吊架的较大的反向作用力,抗震斜撑处的材料强度无法得到充分利用,并与“强节点,弱构件”的设计理念相悖。为改进传统抗震支吊架的不足,提高支吊架的耗能减震性能,本文提出了一种内含U型金属屈服耗能元件的新型抗震支吊架,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了新型抗震支吊架的工作原理,验证了新型抗震支吊架设计的合理性,并研究了其在平板网架结构吊挂系统中的减震作用,为传统抗震支吊架的改进思路与抗震支吊架的数值模拟方法提供了参考。本文主要展开了以下几个方面的工作:(1)U型金属屈服耗能元件的工作机理研究对U型金属屈服耗能元件的工作机理开展了理论分析,对其屈服恢复力与极限恢复力公式进行了理论推导,基于ANSYS有限元数值分析软件,建立了U型金属屈服耗能元件的精细化有限元模型,进行了滞回性能数值模拟研究,并与文献中的相关试验进行了对比验证,证明了该模型的可靠性。利用该模型对不同厚度、宽度与平台段长度的U型金属屈服耗能元件开展了参数分析,通过10个算例,验证了理论公式的可靠性,得出U型元件的厚度是其力学性能的最主要影响因素,在设计时应主要考虑其厚度的合理取值。(2)新型抗震支吊架滞回性能数值模拟研究基于对U型件研究的基础,将一定数量的U型金属屈服耗能元件通过构造设计与槽钢组合形成新型抗震斜撑,利用ANSYS软件分别建立传统抗震支吊架与新型抗震支吊架的有限元模型,采用相同的加载制度进行了滞回性能数值模拟及对比分析,结果表明,相比于传统抗震支吊架,设计合理的新型抗震支吊架受力更加合理,初始刚度更小,整体结构更柔,耗能性能更优。新型抗震支吊架共有3种可能的失效模式,其斜撑的承载力完全由内含U型金属屈服耗能元件的数量决定,二者之间呈现出明显的线性关系。基于以上数值分析研究,进而确定了新型抗震支吊架的设计准则,并提出了新型抗震支吊架的简化杆系数值模型。(3)新型抗震支吊架在平板网架结构中的减震作用研究建立了网架结构-支吊架系统一体化有限元模型,选取了4条地震动记录,分别对安装有传统与新型抗震支吊架的网架结构开展了8度罕遇地震作用下的时程响应分析,使用减震系数来评价新型支吊架相对于传统支吊架的减震效果。结果表明,新型支吊架相比于传统支吊架对主体结构与附属结构的地震响应均具有更优的减震效果。

关键词：金属屈服耗能抗震支吊架滞回性能数值模拟减震效果

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