基于损伤控制的屈曲约束支撑框架多指标评价及设计方法研究

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屈曲约束支撑(BRB)屈服后刚度较低,且地震时所有楼层的BRB并不能同时屈服,某一层或某几层BRB的屈服会造成结构进入弹塑性阶段后不同楼层间刚度的突变,以BRB为主要抗侧体系的结构,其变形和损伤容易在层间集中,震后结构残余变形较大,进而产生明显的损伤集中效应。本文从结构体系层次出发,主要以屈曲约束支撑框架(BRBF)结构为研究对象,以减轻其损伤集中效应为研究目的,系统地开展了结构多指标评价与设计方法研究。以层间位移不均匀系数为衡量结构损伤集中效应的主要指标,对比了不同结构体系和不同框架梁柱连接方式结构的损伤集中效应,分析了BRB-框架刚度比、支撑屈服后刚度比、梁柱抗弯强度比和层间BRB面积比四种参数对BRBF损伤集中效应的影响规律。结果表明:BRBF在个别层BRB屈服后具有较明显的损伤集中效应,BRB-框架刚度比、梁柱抗弯强度比、楼层间BRB面积相差越大、支撑屈服后刚度比越小时,BRBF的损伤集中效应越明显。提出了基于增量动力分析的多指标抗震能力评估方法,进一步揭示了BRBF的损伤集中效应及其影响因素。推导了不同柱端弯矩比下的“强柱弱梁”计算公式,理论分析了支撑屈服后BRBF中框架弯矩的分布规律,指出BRBF中支撑屈服会导致该层节点柱端弯矩反向而增大,框架易呈现柱铰机制,其“强柱弱梁”抗震措施应比框架结构更严格。在结构布置层次上,对BRBF进行了损伤控制研究。分别以位移和层间位移不均匀系数为衡量多高层BRBF地震损伤程度和损伤集中效应的性能指标,分析了支撑和框架间以及楼层间支撑较优且经济适用的布置原则。以“上层BRB屈服应发生在下层框架屈服之前”为性能目标,推导了层间BRB面积比上限值的理论公式。在上述简化布置原则的基础上,给出了BRBF基于力的设计流程。总结了BRBF基于能量、等效阻尼比和弹塑性位移反应谱的抗震设计方法,进行了单自由度体系等位移原则的验证。以罕遇地震下主体框架整体屈服位移为目标位移来控制结构的损伤集中效应,利用弹性位移设计谱确定结构的目标周期,提出了一种直接确定BRB面积的简化抗震设计方法。利用该设计方法对一榀6层3跨屈曲约束支撑钢框架进行了设计,并对设计结果进行了多条地震波的时程分析来验证该设计方法的精度。最后,给出了支撑屈服强度对设计方法精度以及结构抗震性能的影响。基于损伤均匀的设计理念,提出了摇摆墙-屈曲约束支撑框架(RW-BRBF)结构体系。基于连续化分析模型,推导了典型水平力作用下结构的内力和侧移公式,进而得到罕遇地震下摇摆墙刚度和强度需求的近似求解公式。提出了直接确定BRB面积和摇摆墙刚度及强度需求的简化抗震设计流程,算例分析验证了该设计流程的精度。比较了BRBF、抗弯框架、摇摆墙-框架和RW-BRBF的抗震性能。提出了底部带屈曲约束支撑铰支墙(HWBB),其可视为一种高延性损伤可控型剪力墙。介绍了HWBB的设计理念,推导了其等效计算模型,分析了其抗震性能。在此基础上,针对基于耗能集中设计的底部带BRB铰支墙框架(HWBBF)结构体系,给出了直接确定底部BRB面积和摇摆墙刚度及强度需求的简化抗震设计流程,通过对比分析阐明了HWBBF的优势。结果表明:从结构体系层次上提出的RW-BRBF和HWBBF,恰当地融合了BRB体系的耗能和摇摆墙的变形控制特征,两者均可以有效地减小BRBF的损伤集中效应,且后者震后更易修复。
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