高烈度区设置软钢阻尼墙的框-剪结构抗震设计方法研究

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随着人们对地震灾害性认知水平的不断提高以及科技、经济水平的不断发展,被动耗能装置得到了越来越广泛的应用。被动耗能装置和结构类型的组合形式较多,在目前框架—剪力墙结构逐渐成为高层建筑主流结构体系的背景下,软钢阻尼器作为一种性能优越、造价低廉、安装方便的被动耗能装置,两者组合形成的新型结构体系得到了广泛关注,且已在实际工程中得到应用。但是目前对于这种新型结构体系抗震性能的研究并不充分,同时在已有的减震结构体系设计方法中,主要研究对象均为钢筋混凝土框架结构或钢框架结构,且基本是基于单一性能目标设计而提出的方法。因此,研究设置软钢阻尼耗能装置的框架—剪力墙结构体系的受力性能和减震效果,并基于性能目标要求提出一种能够实现其多级设防目标的抗震设计方法是推广这种新型结构体系工程应用的关键。本文以框架—剪力墙结构为研究对象,基于对本文提出的新型软钢阻尼墙耗能装置的力学性能研究以及对设置软钢阻尼墙的框架—剪力墙减震结构体系的受力性能分析,提出了设置软钢阻尼墙的框架—剪力墙减震结构的性态设计方法,主要研究工作及结论如下:(1)综述国内外软钢阻尼器的研究现状及其恢复力模型的特征,指出目前软钢阻尼器在实际应用中存在的问题,并对已有的设置软钢阻尼器的减震结构抗震设计方法进行了归纳。(2)针对目前软钢阻尼器在实际应用中存在的不足,提出一种开菱形孔沿楼层全高布置的新型软钢阻尼墙耗能装置,并给出了该阻尼装置的构造型式和连接方式。基于此装置的耗能机理,建立了初始弹性刚度、屈服荷载、屈服位移等力学参数的理论公式;采用ANSYS软件建立有限元模型,研究软钢阻尼墙外围尺寸不变的情况下,变截面杆的长宽比α=l/bbe、变截面杆的宽厚比η=bbe/t、开孔总长度占软钢阻尼墙高度的比值β=ml/H.边缘约束构件的回转半径,、位移荷载作用方向等对软钢阻尼墙性能的影响。研究结果表明:本文提出的新型软钢阻尼墙装置依靠面内弯曲变形来耗能,耗能机理明确,应力分布均匀,弹性初始刚度及屈服荷载较大,滞回曲线饱满,力学模型可以采用Bouc-Wen恢复力模型进行模拟;另外,其连接方式简单可靠,平面布置灵活,材料利用率高且方便更换,具有较高的实用性。(3)基于框架—剪力墙结构弹性和弹塑性状态下的协同工作理论,研究设置软钢阻尼墙对框架—剪力墙结构抗震性能的影响。研究结果表明:设置软钢阻尼墙对框架—剪力墙结构的位移控制效果良好,阻尼器附加刚度对框架—剪力墙结构的侧移模式、内力分配有一定的影响,附加阻尼耗能可以降低剪力墙的损伤,剪力墙的刚度退化得到一定的控制,框架所受剪力占框架与剪力墙剪力之和的比例有所下降,框架安全性提高。(4)基于上述研究,针对设置软钢阻尼墙的框架—剪力墙减震结构提出一种直接基于位移的抗震设计方法,并运用此方法对某实际工程进行设计和验证。结果表明:本文提出的设计方法考虑了软钢阻尼墙的设置对框架—剪力墙结构受力性能的影响,阻尼器的参数配置方法明确且能够实现多级设防目标,具有可行性和实用性。
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