基于碟形弹簧的自复位摇摆钢框架抗震性能研究

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根据传统抗震设计方法建造的钢框架结构在历次大地震中整体抗震性能较好,有效保证了居住者的生命安全。但是与此同时,多次震后调查表明传统的钢框架在强震作用后损伤严重,梁柱节点和柱脚发生严重的屈服或屈曲,残余变形较大,加固维修费用昂贵或无法维修,并且造成建筑物的使用功能中断,经济损失和社会影响巨大。针对上述问题,本文研发了一系列可恢复功能节点及结构体系,包括装配式自复位韧性摇摆钢柱、装配式梁柱自复位摩擦耗能节点和装配式自复位摇摆钢框架,遵循从节点到结构体系的研究思路,采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的研究方法,进行了一系列科学研究工作,具体的研究工作内容如下:(1)提出了一种新型装配式自复位韧性摇摆钢柱,阐述了其构造形式与工作机理,通过理论分析提出了其恢复力模型,研究了不同的设计参数对其力学性能的影响,并采用有限元软件ABAQUS对其进行了精细化仿真分析,揭示了自复位柱脚的减震工作机理和自复位机理,获得其相应的初始刚度、解压弯矩、最大弯矩以及弯矩-转角滞回关系,对比研究了自复位韧性摇摆钢柱和传统刚性连接钢柱的抗震性能。利用能量守恒原理推导了自复位韧性摇摆钢柱在最大设计位移时的能量计算公式,并采用有限元分析验证了恢复力模型和能量计算公式的正确性。(2)提出了一种新型装配式梁柱自复位摩擦耗能节点,分析了该节点的自复位原理与耗能机理。为了能够全面深入地研究其抗震性能,研究前期先对不设置自复位组件的转动摩擦铰试件进行了低周反复加载试验,研究了转动摩擦铰初始预压力对其抗震性能的影响,提出了其恢复力模型,并与试验结果进行了对比分析。设计加工了一缩尺比例为1/4的自复位梁柱摩擦耗能节点试件,通过低周反复加载试验研究分析了节点的受力变形特点、滞回曲线、骨架曲线、残余变形、刚度退化和耗能性能,通过理论分析提出了其恢复力模型,全面研究了节点的抗震性能。(3)提出了两种新型装配式自复位摇摆钢框架结构,第一种为装配式自复位摩擦耗能摇摆钢框架,详细阐述了该结构的构造形式与工作机理,通过理论分析建立了该种结构的恢复力模型。设计了单层和双层的传统钢框架结构模型和装配式自复位摇摆钢框架结构模型,通过有限元软件ABAQUS对结构模型的滞回性能进行了数值模拟,全面对比分析了两种钢框架结构的抗震性能。第二种为装配式自复位金属耗能摇摆钢框架,设计加工了一缩尺比例为1/4的自复位摇摆钢框架试件,对试验试件进行了低周反复加载试验,全面研究了其抗震性能,包括受力变形特点、滞回曲线、骨架曲线、残余变形、耗能性能、刚度退化、强度退化和震后功能可恢复性等,分析了不同碟簧预压力和竖向轴力对其力学性能的影响,提出了其关键力学性能指标的计算方法与取值范围。通过有限元分析软件建立了其精细化数值仿真模型,研究验证了自复位摇摆钢框架的变形耗能机理,提出了装配式摇摆钢框架的工程实用设计方法。(4)提出了一种可安装在钢框架结构中的装配式自复位金属耗能阻尼器,阐述了其构造形式与受力机理,提出了自复位阻尼器的恢复力模型和设计方法。通过有限元软件ABAQUS建立了自复位金属耗能阻尼器数值分析模型,对其进行了低周反复加载模拟,研究了碟形弹簧初始预压力、碟形弹簧等效刚度、金属阻尼器屈服强度和构件初始间隙对自复位金属耗能阻尼器抗震性能的影响,全面对比分析了不同工况下自复位阻尼器的滞回性能,并给出了其设计改进建议。通过对比有限元模拟结果与恢复力模型的计算结果验证恢复力模型的正确性和合理性。
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