装配金属消能器的耗能连梁抗震性能研究

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连梁在剪力墙结构中具有重要作用,一是在多遇地震作用下,约束剪力墙墙肢,保证结构具有足够的抗侧刚度,二是在罕遇地震作用下,耗散地震输入能量,保护主体结构安全。但连梁跨高比小,剪切效应显著,在地震往复作用下,呈脆性破坏,无法充分耗散地震能量。为改善连梁的受力性能和破坏模式,国内外学者提出并研究了不同形式的耗能连梁,但现有的耗能连梁存在刚度小、加工复杂、经济性较差等缺点,因此,本文提出了一种装配金属消能器的耗能连梁。为研究装配金属消能器的耗能连梁的抗震性能,本文开展了理论分析、有限元模拟分析和试验研究。通过对剪力墙结构的理论分析,得到耗能连梁设计刚度和设计屈服剪力;定义了耗能连梁的耗能效率,耗能连梁为两端弹性连接段、中间消能器的三刚度串联模型,通过串联模型的刚度关系了建立耗能效率与刚度比之间的函数关系,进一步分析对比发现,装配面内剪切型金属消能器的耗能连梁,其耗能效率随刚度比变化小,而装配面外弯曲型金属消能器的耗能连梁,其耗能效率随刚度比变化大;为满足结构的整体性要求并提高连梁耗能性能,提出了装配金属消能器的耗能连梁的设计方法;最后,考虑到耗能连梁为变刚度构件,将装配金属消能器的耗能连梁等效为沿跨度等截面的等效连梁,基于等效连梁,提出耗能连梁在工程中的应用方法。运用有限元分析软件ABAQUS,分别建立了耗能连梁的弹性连接段及耗能段(即金属消能器)有限元模型,得到了弹性连接段弹性刚度、金属消能器刚度,再将弹性连接段和消能器组装成为耗能连梁,得到了耗能连梁整体刚度,分析了三者之间的刚度关系;通过改变弹性连接段腹板的厚度改变耗能连梁的刚度比,分析不同类型耗能连梁的耗能效率随刚度比变化规律。结果表明:可由串联模型刚度计算方法得出耗能连梁整体刚度,耗能连梁耗能效率随刚度比增大而增大,耗能效率随刚度比变化的规律,符合理论推导得出的函数关系。在理论研究和有限元模型分析的基础上,对装配金属消能器的耗能连梁进行试验研究。通过对五组不同类型的耗能连梁进行变幅值和常幅值低周往复加载试验,试验表明:构造可靠、设计合理的耗能连梁,其破坏模式为消能器的破坏;串联模型刚度计算公式简单可靠,可用来设计装配金属消能器的耗能连梁;耗能效率与刚度比之间的函数关系具有实际应用价值;通过试验分析对比,发现装配不同类型金属消能器的耗能连梁的应用范围不同,据此提出了选型建议;设计合理、构造可靠的耗能连梁,可实现连梁中金属消能器拆卸和替换。本课题最终研究表明,装配金属消能器的耗能连梁,可通过合理的设计满足结构整体要求,并具有良好的耗能性能,具有工程应用价值。
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