隅撑支撑钢框架的抗震性能和设计研究

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隅撑支撑钢框架是一种新型的耗能抗震结构形式,它是利用隅撑的塑性变形进行耗能。在弹性阶段,隅撑支撑使结构具有较大的侧向刚度,能够满足高层钢结构的侧移要求;在罕遇地震时,由于隅撑屈服进入塑性,结构具有很强的耗能能力和较好的延性,是适用于高烈度震区的一种有效的抗侧力结构体系;而且,由于隅撑是次要构件,从而使得结构的修复方便且费用较低。本文主要研究了隅撑支撑钢框架的抗震性能、弹塑性分析模型和设计方法。 本文通过两榀1∶2隅撑支撑钢框架模型的单调加载试验,研究了隅撑支撑钢框架的抗侧力性能和破坏机理。试验表明,隅撑首先发生屈服,隅撑具有很好的变形能力,在梁、柱还未损坏的情况下,隅撑就可以发生严重的塑性变形,使结构具有很好的滞回耗能性能和延性。通过合理的设计,可以使梁柱避免发生损坏。 为研究隅撑支撑钢框架的抗震性能和设计参数,本文用ANSYS建立了非线性有限元分析模型。建模时,梁、柱和隅撑采用非线性壳单元shell181,支撑采用梁单元Beam188,两种单元都考虑了几何和材料的双重非线性,采用线性随动强化模型来考虑鲍辛格效应。并通过和试验结果进行对比,验证了该模型的正确性。通过对隅撑支撑钢框架模型进行单调加载和循环加载下的有限元分析,主要研究了隅撑和柱的截面刚度比、隅撑的长度、隅撑的方向和结构的高跨比对隅撑支撑钢框架抗震性能的影响,并给出了设计建议。 为简化隅撑支撑钢框架的非线性分析,本文提出了隅撑支撑耗能体系的概念,把隅撑支撑体系当作一个独立的耗能器,这样隅撑支撑钢框架就可看作主体框架加耗能器的结构形式。并证明了该弹塑性分析模型的正确性。通过分析隅撑支撑钢框架的工作机理,给出了其恢复力模型,并给出了隅撑支撑钢框架的恢复力特性曲线的简化计算方法。用有限元方法证明了该简化计算方法的正确性。从而为隅撑支撑钢框架的非线性分析提供了一种新的分析方法。 利用本文提出的弹塑性分析模型,研究了隅撑支撑钢框架的非线性时程分析方法。并用MATLAB语言编制了非线性时程分析程序,该程序可用来分析具有双线型的层间剪切型结构在地震作用下的弹塑性反应。 目前世界各国(包括我国)的抗震设计规范大都以控制结构物的层间弹塑性变形来防止结构物的倒塌。近年来通过震害调查和研究发现,建筑结构的地震损伤不仅与结构的层间变形有关,而且和结构在地震过程中的累积滞回耗能有关,因此,本文探讨了隅撑支撑钢框架基于能量分析的设计方法。并利用本文给出的简化分析模型编制了用于计算结构地震总输入能量的程序。 最后,结合我国的规范提出了隅撑支撑钢框架的基于变形和能量准则的两阶段设计方法,并利用该方法进行了工程设计。在多遇地震作用下,用SAP2000对隅撑支撑钢框架和偏心支撑钢框架进行了抗震验算,并对隅撑支撑钢框架和偏心支撑钢框架的地震反应进行了对比。在罕遇地震作用下,用本文编制的程序对隅撑支撑钢框架进行了变形和能量验算。 本文对隅撑支撑钢框架进行了全面系统地研究,并提出了设计建议和分析方法。不但对指导工程设计具有重要的参考价值,而且对理论研究也具有重要意义。
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