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在结构控制中,隔震是减轻地震灾害的一种有效方法,一种性能优良、合理有效的隔震耗能支座能够大大减小上部结构的地震反应,提高结构的安全度,实现传统抗震结构所不能达到的抗震效果。然而目前情况下,已有的隔震耗能支座还存在着或多或少的缺陷,难以达到令人满意的效果。随着隔震耗能技术在我国的发展和应用,研制适合我国国情的、具有良好性能的新型隔震耗能支座具有一定的现实意义。
软钢是近年来开发的一种新型钢材,利用软钢的特殊材性,即屈服强度低而变形能力强,目前各国专家学者已开发研究了多种软钢耗能装置。然而,这些耗能装置都是应用于上部结构的耗能减震,目前还未将其应用于隔震耗能支座。基于隔震耗能支座节点的设计要求和软钢耗能装置的耗能原理,本文提出了一种新型隔震耗能支座——软钢隔震耗能支座,利用软钢剪切屈服后弹塑性变形耗能,本文并对其进行了有限元分析和探讨性试验研究。
结合已有的软钢耗能装置,本文提出了软钢隔震耗能支座的构造方式——由上联钢板、翼缘板、腹板及下联钢板组成。通过简化软钢隔震耗能支座翼缘板及腹板的计算模型,本文得到了保证支座翼缘板及腹板局部稳定的宽厚比计算公式。
本文运用大型有限元程序Ansys模拟了软钢隔震耗能支座的低周反复加载过程,结果表明软钢隔震耗能支座具有良好的滞回耗能性能,且滞回耗能稳定。影响软钢隔震耗能支座耗能性能的主要因素是支座腹板的宽厚比、轴压比及高宽比,其中腹板宽厚比对支座耗能性能的影响最为明显,较小的宽厚比能够有效地延缓和抑制腹板的屈曲变形,有利于发挥支座的耗能性能。双线性刚度模型能够很好地反应软钢隔震耗能支座的刚度变化,本文通过有限元分析得到了软钢隔震耗能支座屈服后的刚度折减系数及在最大荷载时的等效阻尼比。
本文通过对软钢的材性试验,验证了软钢具有良好的弹塑性变形能力,屈服后应力增长平缓而延伸率比较大;同时软钢具有优良的焊接性能,能够与普通钢材很好的融合在一起。本文对两个软钢隔震耗能支座进行了低周反复加载试验研究,结果表明软钢隔震耗能支座具有较好的滞回耗能性能,滞回曲线较为饱满,无捏拢现象;试验中软钢隔震耗能支座翼缘板在焊缝附近被拉断,与有限元分析结果较为吻合。
最后以一栋五层钢框架结构为算例,分析比较了非隔震耗能结构与采用软钢隔震耗能支座的隔震耗能结构在多遇地震及罕遇地震作用下地震反应。分析结果表明:无论是在多遇地震还是在罕遇地震作用下,软钢隔震耗能支座都表现出了良好的隔震耗能能力,有效地降低了上部结构的地震反应,验证了软钢隔震耗能支座是一种性能优良的隔震耗能支座。