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《哈尔滨工业大学》 2010年
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工学博士学位论文全钢防屈曲支撑及其钢框架结构抗震性能与设计方法

马宁  
【摘要】: 本文通过理论分析和有限元模拟,对全钢防屈曲支撑的性能和构造参数进行探讨,提出了构件的设计方法;通过试验验证其方法并了解支撑的性能及合理构造;对全钢防屈曲支撑框架进行了抗震性能分析,提出了该结构体系基于能量的抗震设计方法。主要研究内容如下: (1)针对防屈曲支撑整体失稳的破坏模式,对外套管所需强度进行了推导,得到一字形内芯和十字形内芯防屈曲支撑外套管刚度的设计公式。针对防屈曲支撑局部失稳的破坏模式,推导出内芯对外套管的挤压力以及外套管承载力的表达式,从而得到了保证两种支撑局部稳定的外套管厚度计算公式。结果表明内芯宽厚比、间宽比和支撑的厚度比是影响支撑局部稳定性的重要因素,并给出支撑最优间宽比取值。依照全钢防屈曲支撑特点进行内芯的局部稳定性分析,推导出一字形内芯防屈曲支撑不会过早发生屈曲的内芯宽厚比限值为8,在此基础上建议十字形内芯的宽厚比不大于5。考虑内芯多波屈曲产生的变形得出支撑的疲劳寿命表达式,将理论结果与实验结果进行对比后表明,理论公式可以较准确地预测防屈曲支撑的疲劳寿命,并指出宽厚比和间宽比是影响支撑疲劳性能的重要因素。 (2)应用ABAQUS程序,综合考虑多种非线性,计入内芯与外套管的摩擦力建立一字形内芯全钢防屈曲支撑的有限元模型,分析了在单轴压力作用下内芯对外套管挤压力的发展过程,以及设计参数对内芯与外套管接触作用、外套管承载力及支撑宏观性能的影响。分析表明,内芯与外套管的接触力随着内芯宽厚比、初始缺陷、间宽比的增大而增长,外套管的承载力随着约束比和厚度比的减小而减小,从而引起宏观上支撑承载力的降低;当取最优间宽比时摩擦力对承载力的变化影响很小;支撑临界约束比受到内芯初弯曲、宽厚比和间宽比的影响,经回归确定了临界约束比的拟合公式,并结合理论结果总结了支撑构件设计方法。 (3)以实际工程为依托,对十字形内芯外套方钢管的全钢防屈曲支撑进行支撑构件及子系统足尺试验研究,以了解其性能及合理构造并验证设计方法。首先根据性能要求进行支撑的设计。继而在MTS试验机上对第一根构件进行不含节点板的防屈曲支撑支撑单轴拉压试验,由于加工精度不足引起偏心,端头出现弯曲。改进设计后制作第二根构件进行试验,内芯在与外套管点焊位置断裂,表明内芯屈服段除必要的板件之间的连接焊缝外,不应出现额外焊缝连接接头。采用在下端加劲肋处局部加厚方式限制外套管下滑,设计了第三根构件并安装到加载框架上进行子系统足尺试验,顺利完成加载制度,且支撑的滞回曲线饱满稳定,受压强度提高系数及累积延性系数均满足要求。试验证明,改进后的十字形内芯全钢防屈曲支撑具有良好的延性及耗能能力,并且按本文提出的方法进行构件设计可以达到设计的目标应变且承载力不降低。 (4)对实际结构进行抗震性能分析,表明此结构在不同地震作用下均满足规范要求且防屈曲支撑符合设计意图,结构在大震下残余变形很小,特大震下结构安全。经能量分析表明,对于同一强度地震动,防屈曲支撑耗能与地震输入能之比稳定,频谱特性和持时对比值影响较小,随着地震强度的增加比值增加。与同等用钢量的中心支撑框架结构相比,防屈曲支撑框架在大震以及特大震作用下的损伤等级下降一级,地震动强度越大防屈曲支撑对层间位移角的控制效果越显著。 (5)以梁柱刚接的防屈曲支撑框架为对象,提出基于能量的抗震设计方法。以防屈曲支撑框架中钢框架与防屈曲支撑在目标位移下耗散的能量之和等于地震输入能量为原则分配地震输入能量,从而设计防屈曲支撑,其中的地震输入能量以原钢框架的地震输入能量为标准,计入结构参数的影响进行调整后得到。根据时程分析结果,应用本方法设计的防屈曲支撑框架层间位移角与给定的设计目标较为一致,设计的结构安全可靠。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU391;TU311.3

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