带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑抗震性能研究

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随着高层、超高层建筑越来越多,各种耗能构件得到充分发挥和利用。根据课题组以往对钢板剪力墙和防屈曲支撑(BRB)的研究发现:钢板剪力墙在水平荷载作用下产生一系列类似斜撑的拉力带,拉力带的形成增大了钢板剪力墙的承载力,提升了钢框架的耗能能力,但钢板剪力墙在拉力带两侧区域内应力较小,材料性能未得到充分发挥;防屈曲支撑作为耗能构件其承载力高,在受力过程中具有只屈服不屈曲的特点。因此将防屈曲支撑和钢板剪力墙结合,提出带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑体系,使该支撑体系在地震过程中充分发挥耗能性能。该新型支撑体系在加载过程应确保防屈曲支撑不发生变形,仅钢板支撑在一定程度上发生破坏,可使建筑在建造过程中达到装配式目的,而震后修复时展现出可替换的优势。为探索带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的可行性及该支撑体系在单向荷载作用下的承载能力、初始刚度、延性等各项力学性能和循环荷载作用下试件的承载能力、刚度退化规律、耗能能力等性能,分别设计了26榀有限元模型和5榀试验试件进行以下探索性研究:(1)建立26榀有限元模型,将其以钢板支撑剪切板的厚度、钢板支撑翼缘宽度和厚度、钢板支撑高度和厚度及BRB长度为参变量分为6组,对各参变量变化时的模型单向荷载作用下承载能力、初始刚度、延性进行研究,并分析循环荷载作用下模型的滞回曲线、刚度退化规律及等效粘滞阻尼比发展总结带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的力学性能、耗能能力及应力发展规律。发现该新型钢板组合支撑结构体系作为抗侧力构件是可行的,对于试件承载能力、刚度、延性及耗能能力等力学性能影响最大的因素为钢板支撑的剪切板厚度,其厚度越厚承载能力、刚度及耗能能力越好;钢板支撑翼缘宽度变化虽对该新型组合支撑结构体系的后期承载能力、及耗能能力无显著影响,但翼缘外伸宽度增加会减缓结构在拉力带形成过程中刚度突变现象;带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的翼缘厚度增加(即翼缘高厚比减小),试件在层间位移角小于1/150时的刚度和承载能力会得到一定程度的提升,但在层间位移角大于1/150时,试件刚度和承载能力趋于一致,且随着翼缘厚度增加高厚比减小,延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的耗能能力降低;带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑在保证钢板支撑宽度不变的前提下,改变钢板支撑的高度,从而使BRB中心线间距增大可以有效提升该新型组合支撑的延性和耗能能力,但该新型钢板组合支撑的钢板支撑高度不变时,降低钢板支撑的高宽比会使模型的承载能力和初始刚度相应提高,而该新型组合支撑的延性和耗能能力存在不同程度降低趋势。(2)根据有限元模型设计5榀不同钢板支撑剪切板厚度的可替换的带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑试验试件,利用MTS作动器对试件进行循环加载,分析不同剪切板厚度的试件在循环加载过程中的滞回曲线和关键部位的应力发展和位移变化情况,并分析相应试件的峰值荷载分析其承载能力、刚度及耗能能力。研究发现:带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的剪切板上拉力带形成过程中,试件的刚度发生到不同程度的突变,拉力带交错过程中试件屈曲耗能,当剪切板上形成褶皱并逐渐开裂后试件的承载能力会逐渐降低,且随着试件加载位移增大试件的承载能力和耗能能力也相应降低。同时比较钢板剪力墙试件,发现在一定结构形式和加载位移范围内带延性剪切耗能钢板的防屈曲组合支撑的耗能能力优于钢板剪力墙结构。(3)建立3榀同试验试件相同的有限元模型,对比二者在循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和等效粘滞阻尼比曲线等,验证有限元模拟的合理性和可靠性,发现有限元模拟由于对试验试件的边界条件、加载方式、材料属性及连接方式等进行了不同程度的简化,因此二者在承载能力、刚度等力学性能方面存在不同程度的差异,但其变化规律是一致的,即有限元模拟数据是可靠的。(4)经研究发现该新型钢板组合支撑结构体系其等效粘滞阻尼比在0.2~0.4范围内,大于《建筑抗震设计规范》规定钢结构房屋高度小于50m时的结构阻尼比0.04,远大于房屋高度大于200m时钢结构阻尼比0.02,属规范规定的大阻尼比范畴,因此该新型钢板组合支撑耗能能力较好。
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