折纸型防屈曲支撑的滞回性能研究

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屈曲约束支撑作为一种金属耗能装置,虽然具有稳定的滞回耗能特性,但也存在一些缺点,如使用无粘结材料导致设计时分析困难,加工组装质量和精度不易控制;无粘结材料在高温下会丧失原有功能;灌注砂浆导致自重大,且易发生压碎破坏导致支撑发生局部屈曲等。本文受“刚性折纸”的启发,提出一种新型折纸型防屈曲支撑,并对其进行了有限元模拟和试验研究。具体内容如下:(1)本文总结了几种典型的折痕形式,将刚性的Miura折纸构型引入支撑(全长引入)。采用ABAQUS软件对折纸型防屈曲支撑的低周反复加载过程进行了有限元模拟。对比了折纸型防屈曲支撑和普通支撑变形模式的区别,发现折纸型防屈曲支撑在受压过程中同时发生了整体弯曲和典型单元的折叠,且在受拉和受压时折痕处都能屈服耗能。此外对全尺的折纸型防屈曲支撑进行了参数分析。共设计了22个构件,分为5个组,分别探讨长细比、折叠角度、基本平行四边形的夹角、宽高比、宽厚比对支撑滞回性能的影响。模拟结果表明Miura折纸构型的引入对于支撑的屈曲有抑制作用,但这种抑制作用对于长细比是有限制的,当长细比过大时,折纸型防屈曲支撑也会发生屈曲。此外模拟发现当折叠角度小于1300时,基本平行四边形夹角为60。时,宽高比小于2.73时,宽厚比大于12.5时,支撑的滞回曲线比较饱满。(2)对缩尺的折纸型防屈曲支撑进行模拟,设计了三个低碳钢试件来验证折叠角度对支撑性能的影响,试验结果表明三个试件均是中部焊缝断裂导致破坏。通过处理试验数据,发现三个试件的屈服位移、屈服荷载、弹性刚度、塑性刚度、拉压不平衡系数、等效粘滞阻尼比随折叠角度的变化规律和有限元结果吻合良好,在一定程度上说明了有限元模拟的正确性。(3)为了对比钢材类型不同对支撑滞回性能的影响,设计了两个低屈服点钢试件进行试验,并与低碳钢试件进行对比,发现屈服位移有所降低,具有更好的塑性变形能力和能量耗散能力,但其承载力与相应低碳钢试件相比有一定程度的降低。(4)为了降低支撑造价,在普通方管局部设置折纸型单元,并对其进行有限元模拟。结果表明与全长设置折纸型单元支撑相比,局部设置折纸型单元支撑的屈服位移更小,弹性刚度和卸载曲线刚度更大,滞回环更加饱满。此外研究了局部设置折纸型单元支撑的平直段长度和折纸段壁厚对其性能的影响。
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