论文部分内容阅读
长细比较大的构件在轴心压力作用下趋于发生整体屈曲。对于具有双轴对称截面的轴心受压构件，弯曲屈曲是最常见的整体屈曲形式。为解决常规钢中心支撑在地震作用下容易发生整体弯曲屈曲引起的失稳从而严重损害其抗震性能的问题，本文通过将采用特定折痕方案的基于变角度Miura折纸的管状构形运用于中心支撑上，在轴心压力作用下的一定变形范围内通过沿预设折痕的局部变形抑制了构件发生整体弯曲屈曲，形成了一种折纸型屈曲控制支撑。对该支撑在轴心压力作用下的力学性能和在低周往复荷载作用下的滞回性能进行了有限元分析，并分别对其基本管状单元和支撑缩尺试件在低周往复荷载作用下的滞回性能进行了试验研究。
首先，利用空间三角形几何关系对基于变角度Miura折纸的基本管状单元的几何关系进行推导，得到了基本单元各顶点坐标的计算公式、基本单元的一般性闭合条件和边长的一般性计算公式，并对相关角度关系式进行了证明，形成了已知所需长管总长度L，通过相互独立的5个基本单元的几何参数（单元平铺时高度的一半H、边长l、边数量n、折痕倾斜角φ1（或φ2）和折叠角α），确定基于变角度Miura折纸长管几何构形的计算流程。
基于对几何关系的理论推导和由此形成的建模方法，根据折痕是否传递面外弯矩将其区分为第Ⅰ类折痕（不能传递面外弯矩）和第Ⅱ类折痕（能传递面外弯矩）。基于这两类折痕形成了四种不同的折痕方案，对采用四种折痕方案的基于变角度Miura折纸的3层管状构件进行轴心压力作用下的非线性有限元分析，通过对其变形和受力特征进行分析和比较，优选出了最优的折痕方案。研究结果表明：以水平折痕和峰线斜向折痕为第Ⅰ类折痕、以谷线斜向折痕为第Ⅱ类折痕的折痕方案更好地协调了构件各面板的受力和变形，使构件轴心受压作用下表现出了比采用其它方案更加优越的变形能力。采用该方案的管状构件破坏时的平均压应变达到3.6%，是其余构件的1.3~1.4倍。
将优选出的折痕方案应用于基于变角度Miura折纸的屈曲控制支撑上，运用有限元软件ANSYS对其进行了非线性有限元分析，在考虑初始缺陷的情况下，考察了基本几何参数对其在轴心压力作用下的力学性能的影响，结合有限元分析结果对推导得到的支撑的截面惯性矩进行了修正，得到了其长细比的计算方法，提出了新型支撑轴心受压稳定系数的计算方法，继而形成了该新型支撑的轴心受压稳定性验算公式。研究结果表明：新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，在保持一定承载能力的同时支撑极限压应变达到εu=2.38%~2.74%，在仅发生有限整体屈曲的情况下不会发生失稳，表现出良好的轴向变形能力。
运用有限元软件ANSYS对新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3进行了考虑初始缺陷的非线性有限元分析，考察了其在低周往复荷载作用下的滞回性能，并将其与具有相同计算长度、壁厚和欧拉临界荷载的常规方管支撑进行对比，同时结合新型支撑轴心受压稳定系数，提出了新型支撑的带强化段的双线性骨架曲线简化模型。研究结果表明：低周往复荷载作用下，新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，在2.0%的平均轴向应变（εbrw）范围内仅产生有限的整体屈曲，总体上均能实现稳定的、对称的、可重复的、具有正增量刚度的滞回曲线。此外，上述支撑表现出了比对应的方管支撑好得多的变形能力、压拉平衡性和稳定耗能能力，且其在轴心受压下对整体屈曲的敏感程度也得以改善，使其在发生有限整体屈曲的情况下不发生失稳。
在三种新型支撑（C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3）的几何尺寸基础上，通过将支撑壁厚取为6mm、8mm和12mm，可以满足三种不同的承载能力需求。得到的支撑均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，使其在2.0%的平均轴向应变范围内主要发生轴向变形，仅产生了有限的整体弯曲屈曲，表现出良好的轴向变形能力，总体上均能实现稳定的、对称的、饱满的、可重复的、具有正增量刚度的滞回曲线。
以支撑C-ORI-BC2为例，从组成该支撑的基本管状单元入手，分别对两类折痕及基本单元其余部分的制作方法进行探究，并采用规范推荐的用于BRB的加载制度对缩尺比例为1/4的基本管状单元试件进行低周往复试验研究，以考察其滞回性能，并通过观察到的试验现象总结出当前制作方法中存在的不足。研究结果表明：虽然第Ⅰ类折痕可以通过采用冷轧钢板并取特定的单面开槽尺寸实现，第Ⅱ类折痕可以通过采用连接钢板加自攻螺钉的方法实现，但是低周往复荷载作用下由3条第Ⅰ类折痕和1条第Ⅱ类折痕交汇的顶点仍然容易在反复拉扯下出现材料撕裂，并严重损害试件的耗能能力。
最后，从支撑整体制作的角度出发，通过对基本单元的制作方法进行改进和优化，得到了一种通过装配8块面板组制作新型支撑的方法。对采用该方法制作的新型支撑1/4缩尺试件进行低周往复试验，试验结果表明，新型支撑试件在低周往复荷载作用下的荷载-位移滞回曲线在应变不超过2.2%的范围内饱满、稳定、可重复并具有正增量刚度，表现出了良好的耗能能力。折纸构形和对应折痕方案的引入使得支撑试件在轴心受压下对整体屈曲的敏感程度降低，使其在发生有限整体屈曲的情况下不会发生失稳。
首先，利用空间三角形几何关系对基于变角度Miura折纸的基本管状单元的几何关系进行推导，得到了基本单元各顶点坐标的计算公式、基本单元的一般性闭合条件和边长的一般性计算公式，并对相关角度关系式进行了证明，形成了已知所需长管总长度L，通过相互独立的5个基本单元的几何参数（单元平铺时高度的一半H、边长l、边数量n、折痕倾斜角φ1（或φ2）和折叠角α），确定基于变角度Miura折纸长管几何构形的计算流程。
基于对几何关系的理论推导和由此形成的建模方法，根据折痕是否传递面外弯矩将其区分为第Ⅰ类折痕（不能传递面外弯矩）和第Ⅱ类折痕（能传递面外弯矩）。基于这两类折痕形成了四种不同的折痕方案，对采用四种折痕方案的基于变角度Miura折纸的3层管状构件进行轴心压力作用下的非线性有限元分析，通过对其变形和受力特征进行分析和比较，优选出了最优的折痕方案。研究结果表明：以水平折痕和峰线斜向折痕为第Ⅰ类折痕、以谷线斜向折痕为第Ⅱ类折痕的折痕方案更好地协调了构件各面板的受力和变形，使构件轴心受压作用下表现出了比采用其它方案更加优越的变形能力。采用该方案的管状构件破坏时的平均压应变达到3.6%，是其余构件的1.3~1.4倍。
将优选出的折痕方案应用于基于变角度Miura折纸的屈曲控制支撑上，运用有限元软件ANSYS对其进行了非线性有限元分析，在考虑初始缺陷的情况下，考察了基本几何参数对其在轴心压力作用下的力学性能的影响，结合有限元分析结果对推导得到的支撑的截面惯性矩进行了修正，得到了其长细比的计算方法，提出了新型支撑轴心受压稳定系数的计算方法，继而形成了该新型支撑的轴心受压稳定性验算公式。研究结果表明：新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，在保持一定承载能力的同时支撑极限压应变达到εu=2.38%~2.74%，在仅发生有限整体屈曲的情况下不会发生失稳，表现出良好的轴向变形能力。
运用有限元软件ANSYS对新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3进行了考虑初始缺陷的非线性有限元分析，考察了其在低周往复荷载作用下的滞回性能，并将其与具有相同计算长度、壁厚和欧拉临界荷载的常规方管支撑进行对比，同时结合新型支撑轴心受压稳定系数，提出了新型支撑的带强化段的双线性骨架曲线简化模型。研究结果表明：低周往复荷载作用下，新型支撑C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，在2.0%的平均轴向应变（εbrw）范围内仅产生有限的整体屈曲，总体上均能实现稳定的、对称的、可重复的、具有正增量刚度的滞回曲线。此外，上述支撑表现出了比对应的方管支撑好得多的变形能力、压拉平衡性和稳定耗能能力，且其在轴心受压下对整体屈曲的敏感程度也得以改善，使其在发生有限整体屈曲的情况下不发生失稳。
在三种新型支撑（C-ORI-BC1、C-ORI-BC2和C-ORI-BC3）的几何尺寸基础上，通过将支撑壁厚取为6mm、8mm和12mm，可以满足三种不同的承载能力需求。得到的支撑均能通过预设折痕有效地控制其变形模式，使其在2.0%的平均轴向应变范围内主要发生轴向变形，仅产生了有限的整体弯曲屈曲，表现出良好的轴向变形能力，总体上均能实现稳定的、对称的、饱满的、可重复的、具有正增量刚度的滞回曲线。
以支撑C-ORI-BC2为例，从组成该支撑的基本管状单元入手，分别对两类折痕及基本单元其余部分的制作方法进行探究，并采用规范推荐的用于BRB的加载制度对缩尺比例为1/4的基本管状单元试件进行低周往复试验研究，以考察其滞回性能，并通过观察到的试验现象总结出当前制作方法中存在的不足。研究结果表明：虽然第Ⅰ类折痕可以通过采用冷轧钢板并取特定的单面开槽尺寸实现，第Ⅱ类折痕可以通过采用连接钢板加自攻螺钉的方法实现，但是低周往复荷载作用下由3条第Ⅰ类折痕和1条第Ⅱ类折痕交汇的顶点仍然容易在反复拉扯下出现材料撕裂，并严重损害试件的耗能能力。
最后，从支撑整体制作的角度出发，通过对基本单元的制作方法进行改进和优化，得到了一种通过装配8块面板组制作新型支撑的方法。对采用该方法制作的新型支撑1/4缩尺试件进行低周往复试验，试验结果表明，新型支撑试件在低周往复荷载作用下的荷载-位移滞回曲线在应变不超过2.2%的范围内饱满、稳定、可重复并具有正增量刚度，表现出了良好的耗能能力。折纸构形和对应折痕方案的引入使得支撑试件在轴心受压下对整体屈曲的敏感程度降低，使其在发生有限整体屈曲的情况下不会发生失稳。