论文部分内容阅读
自复位耗能支撑（Self-centering energy dissipation brace,简称SCB）是在普通钢支撑和屈曲约束支撑（Buckling restrained brace,简称BRB）的基础上发展而来,能够为结构提供抗侧力,消耗地震输入能量并将残余变形尽可能减小甚至消除,在确保结构安全性的同时降低震后修复时间与成本。本文针对现有SCB及其结构体系研究中存在的不足,研发两种新型自复位阻尼耗能支撑,通过理论分析、数值模拟和动力性能试验研究支撑在往复荷载作用下的滞回性能,提出支撑构件恢复力模型和简化模拟方法,建立基于性能需求的自复位阻尼耗能支撑设计方法;研发自复位阻尼耗能支撑-高层钢框架结构及超高层钢框架-自复位阻尼耗能支撑筒结构体系,通过非线性地震响应模拟分析,研究结构的抗震性能和功能可恢复性,建立其基于性能的抗震设计方法。主要研究内容和结论如下:（1）研发了自复位恒定阻尼耗能支撑（Magnetorheological constant-damping self-centering brace,简称MR–SCB）和自复位变阻尼耗能支撑（Magnetorheological variable-damping self-centering brace,简称VD–SCB）,其复位装置采用组合碟簧,阻尼装置采用智能新材料磁流体。对恒定阻尼和变阻尼装置进行不同加载振幅和频率下的动力性能试验,结果表明,阻尼装置具有饱满的滞回响应,阻尼力随加载振幅和频率的增大而增大。设计并加工了不同组合碟簧预压力和刚度的MR–SCB和VD–SCB试件,对其进行加载振幅为3至26 mm、加载频率为0.05至0.5 Hz正弦激励下的动力性能试验。结果表明,MR–SCB具有饱满的旗形滞回响应、较高的极限承载力和较小的残余变形,激活力和激活变形稳定,具有拉压对称性。支撑超耗能能力的存在,使得其组合碟簧预压力仅需大于阻尼装置提供的库仑阻尼力,即可确保震后复位。VD–SCB具有饱满的类旗形滞回响应,组合碟簧有效减小了支撑的残余变形,激活力和激活前后刚度突变较小,耗能能力强,具有拉压对称性。在满足支撑承载能力的前提下,组合碟簧预压力须大于阻尼装置提供的初始阻尼力,并选取合适的组合碟簧刚度。（2）对MR–SCB和VD–SCB的受力特性进行理论分析,将其导向轴/外管与内管分别分为3段和2段进行设计,各段受力特性的理论、模拟和试验结果吻合较好。在加载频率为0.1和0.2 Hz的动力荷载作用下对MR–SCB和VD–SCB试件进行低周疲劳试验和破坏试验,其半周期滞回曲线包络面积和极限承载力的相对极差均不超过6.2%,表明支撑可提供稳定的耗能和承载能力。经过对非理想破坏失效模式的优化设计,两种支撑均能在轴向位移超过设计值、组合碟簧压并前保持良好的工作状态。建立了基于性能需求的自复位阻尼耗能支撑构件设计方法,通过七个步骤依次确定支撑各项设计参数,验算局部受力性能,完成支撑设计。（3）提出了一种能够完整准确描述自复位阻尼耗能支撑各工作阶段的基于Bouc-Wen的修正恢复力模型。模型的整体刚度应与支撑各工作阶段的实际刚度一致,各项模型参数均可直接或间接与支撑设计参数建立联系。利用修正恢复力模型对不同组合碟簧预压力和刚度的MR–SCB和VD–SCB试验结果进行预测,结果表明,恢复力模型能够很好地模拟出两种支撑的轴向力时程曲线、力-位移曲线和力-速度曲线。利用修正恢复力模型,依托通用有限元软件LS-DYNA,开发了自复位阻尼耗能支撑恢复力模型子程序。利用该子程序对地震荷载下的支撑构件滞回响应进行模拟,结果表明,MR–SCB和VD–SCB模拟效果良好,曲线光滑、不存在求解歧义。（4）研发了自复位阻尼耗能支撑-高层钢框架结构体系,支撑-外框架主要承受水平荷载,内框架主要承受竖向荷载。通过非线性地震响应模拟分析发现,在强烈地震作用下,MR–SCB和VD–SCB框架结构最大平均残余变形角均明显小于布置BRB和现有SCB的结构,其位移和加速度控制效果也与BRB框架结构相似、优于现有SCB框架结构。MR–SCB和VD–SCB设计参数的建议取值为:激活力保持在初始值,激活位移为初始值的50%,复位耗能比分别取1.0和1.0～1.1,对应于结构层间位移角为1%时的支撑轴向位移设计VD–SCB的变阻尼区间,适当增大支撑的粘滞阻尼系数。结构的最大层间位移角和残余变形角均随地震峰值加速度的提高而增大,当结构层间位移角超过弹塑性限值时,MR–SCB框架结构残余变形角仅为0.30%。近场地震动具有较大的速度幅值和较长的速度脉冲周期,高阶模态的影响也更为显著,VD–SCB框架结构最大平均层间位移角、楼面加速度比和残余变形角分别增加了13.90%、11.18%和33.25%。结合结构中不同类型构件的损伤发展过程,将自复位阻尼耗能支撑-高层钢框架结构的抗震性能分为四个水准,并量化为结构层间位移角和残余变形角限值。在设计过程中,应根据抗震性能水平的量化限值验算不同构件的设计参数并进行优化。（5）研发了超高层钢框架-自复位阻尼耗能支撑筒结构体系,支撑筒与外框架构成了结构的两道“抗震防线”。通过非线性地震响应模拟分析发现,MR–SCB筒结构和VD–SCB筒结构均能够满足不同抗震水准下的性能要求,最大平均残余变形角分别出现在第39和33层,均为0.052%,展现良好的抗震韧性。随着地震峰值加速度增大,MR–SCB的超耗能能力使支撑消耗的能量不断增加,对结构位移和残余变形的控制效果逐渐略优于VD–SCB,对结构加速度的控制效果也接近于VD–SCB。MR–SCB筒和VD–SCB筒结构展现的良好抗震性能证明了高层支撑-钢框架结构中支撑设计参数的选取原则在超高层结构体系中的适用性。