钢框架设置弯剪组合型软钢耗能器结构减震性能研究

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在地震作用下,钢框架结构由于抗侧刚度较弱,容易产生较大侧移,因此提升钢框架结构抗震性能具有十分重要的意义。本文提出一种弯剪组合型软钢耗能器,将弯曲板设置在剪切板两侧,弯曲板与剪切板之间接触紧贴。弯曲板与剪切板既能够各自独立耗能,同时弯曲板也能为剪切板的侧向变形提供约束作用,从而提升弯剪组合型软钢耗能器的耗能能力。将弯剪组合型软钢耗能器设置在钢框架结构中,既能增加结构的侧向刚度,又可以在地震作用下屈服耗能,提升钢框架结构的抗震性能。分别对弯曲板与剪切板受力及变形性能进行理论分析,推导出弯曲板与剪切板屈服位移、屈服力的计算公式,得出其截面设计方法。在此基础上,本文共设计五个耗能器试件,其中三个弯剪组合型软钢耗能器、一个弯曲板软钢耗能器和一个剪切板软钢耗能器。采用ABAQUS有限元分析软件对上述软钢耗能器试件进行分析,得到耗能器的滞回曲线、骨架曲线、承载力指标、刚度参数以及等效粘滞阻尼系数,并探究弯曲板数目和厚度对弯剪组合型软钢耗能器力学性能的影响规律。研究结果表明,通过对弯曲板和剪切板进行合理的组合设计,弯剪组合型软钢耗能器能够在较小的位移下屈服,表现出较高的承载能力和良好的耗能能力。减小弯曲板的数目和厚度,会导致剪切板的约束作用减弱,降低耗能器的延性和承载力。采用PERFORM-3D分析软件分别对未设置耗能器的钢框架(FM-1模型)、设置剪切板软钢耗能器的钢框架(FDM-1模型)和设置弯剪组合型软钢耗能器的钢框架(FDM-2模型)进行非线性时程分析,研究分析结构的自振周期、层间位移角、层间剪力、顶点加速度和能量耗散等参数。结果表明:弯剪组合型软钢耗能器的设置能够有效增加钢框架结构的侧向刚度,显著降低结构的层间位移角与层间剪力。弯剪组合型软钢耗能器在地震作用下变形耗能,能够有效减少钢框架结构自身的滞回耗能,从而减轻地震对结构构件的损伤。基于IDA分析方法,对未设置耗能器的钢框架(FM-1模型)、设置剪切板软钢耗能器的钢框架(FDM-1模型)和设置弯剪组合型软钢耗能器的钢框架(FDM-2模型)进行抗倒塌性能评估,分析三个模型在不同性能水准状态下的易损性曲线。结果表明,8度罕遇地震下,FM-1模型、FDM-1模型和FDM-2模型的倒塌超越概率分别为58.2%、31.6%和25.3%,设置弯剪组合型软钢耗能器能够有效提升钢框架结构的抗倒塌能力。
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