自恢復(fù)耗能(Self-centering energy dissipation,簡稱SCED)支撐在地震發(fā)生時不僅可為結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的耗能能力,保護結(jié)構(gòu)主體安全,同時還可為其提供良好的自恢復(fù)能力,有效地減小結(jié)構(gòu)的殘余變形響應(yīng)�，F(xiàn)有SCED支撐多采用摩擦裝置或防屈曲支撐(Buckling restrained brace,簡稱BRB)提供耗能,預(yù)應(yīng)力筋或形狀記憶合金材料提供自恢復(fù)能力,該類支撐常存有變形能力有限或支撐性能受溫度影響明顯等不足。因此本文提出一種由組合碟簧裝置與摩擦耗能裝置共同組成的兼具高耗能及自恢復(fù)性能的新型預(yù)壓彈簧自恢復(fù)耗能(Pre-pressed spring self-centering energy dissipation,簡稱PS-SCED)支撐,通過對多組不同設(shè)計參數(shù)的PS-SCED支撐試件進行低周往復(fù)加載試驗,系統(tǒng)研究了該支撐的滯回性能、耗能及自恢復(fù)性能,提出可準確、細化描述支撐旗形滯回特性的非線性恢復(fù)力模型,建立了PS-SCED支撐構(gòu)件設(shè)計理論和方法。分別設(shè)計并建立低層、中高層及高層典型的PS-SCED支撐框架結(jié)構(gòu),對其進行非線性地震響應(yīng)分析,研究支撐結(jié)構(gòu)在中震、大震及特大震作用下的抗震性能及功能可恢復(fù)性能,并分析支撐構(gòu)件設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律,建立了 PS-SCED支撐框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)提出了一種由摩擦耗能裝置提供耗能、組合碟簧裝置提供自恢復(fù)能力的新型PS-SCED支撐,通過對4組具有不同碟簧類型、不同支撐長度及不同截面形式的支撐試件進行低周往復(fù)加載試驗,研究了支撐在相同組合碟簧預(yù)壓力、不同摩擦耗能裝置摩擦力情況下的滯回性能、耗能、自恢復(fù)性能及參數(shù)影響規(guī)律,結(jié)果表明:PS-SCED支撐在低周往復(fù)加載作用下可展現(xiàn)出特有的旗形滯回曲線,其耗能能力隨摩擦力的增大而增大,當(dāng)組合碟簧預(yù)壓力足以克服該摩擦力時,PS-SCED支撐具有更好的自恢復(fù)性能。此外,提出了一種利用支撐可測工作段的實測應(yīng)變信息推算支撐整體滯回響應(yīng)的應(yīng)變反演法,該方法可有效地預(yù)測PS-SCED支撐的滯回響應(yīng)。(2)通過PS-SCED支撐的破壞性試驗和低周疲勞性能試驗,分析了 PS-SCED支撐在大位移循環(huán)加載作用下的滯回性能、耗能、延性及承載力,結(jié)果表明:PS-SCED支撐構(gòu)件在大位移多次循環(huán)加載作用下,可保持穩(wěn)定的耗能及自恢復(fù)能力,具備良好的抗疲勞性能。圓形截面內(nèi)管支撐相比X截面內(nèi)管支撐具有更好的延性、耗能及自恢復(fù)性能,且采用無支撐面碟簧可有效提高支撐承載力,采用有支撐面碟簧或增加支撐長度及碟簧使用數(shù)量更有利于提高支撐變形能力。支撐的破壞模式為其內(nèi)管發(fā)生拉斷破壞,且破壞位置位于支撐內(nèi)管用于固定摩擦耗能裝置高強螺栓的預(yù)留孔洞處。(3)建立了 PS-SCED支撐構(gòu)件設(shè)計理論和方法,給出了具體設(shè)計流程和建議�；贐ouc-Wen模型,提出了兩種可準確描述該支撐構(gòu)件滯回響應(yīng)的非線性恢復(fù)力模型。模型預(yù)測與試驗結(jié)果對比分析表明:PS-SCED支撐分段式簡化模型和非線性原理模型均能有效地描述支撐的滯回特性,且非線性原理模型對支撐恢復(fù)力、剛度過渡段平滑性、等效粘滯阻尼比和累積耗能的預(yù)測結(jié)果更加準確。非線性原理模型中的耗能參數(shù)及剛度參數(shù)對支撐的滯回響應(yīng)存有明顯影響,而其余形狀控制參數(shù)對支撐滯回響應(yīng)的影響較小,對于采用相同構(gòu)造的PS-SCED支撐構(gòu)件,可將其設(shè)為定值以作簡化計算。(4)基于LS-DYNA有限元軟件對PS-SCED支撐非線性原理模型進行了二次開發(fā),依據(jù)功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的四水準抗震設(shè)防目標,分別設(shè)計并建立了4層、8層和16層典型的低層、中高層及高層PS-SCED支撐框架結(jié)構(gòu),對其在中震、大震及特大震作用下的抗震性能及功能可恢復(fù)性能進行研究,結(jié)果表明:PS-SCED支撐相比普通鋼支撐(Conventional steel brace,簡稱CSB)可更加有效地減小結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng),在大震和特大震作用下可具備與BRB同等的控制效果。支撐特有的旗形滯回特性可有效地減小結(jié)構(gòu)的震后殘余變形響應(yīng),但也使其結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)略高于BRB框架結(jié)構(gòu),且該結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨碟簧間接觸摩擦力的增加而明顯增加。分析了支撐構(gòu)件設(shè)計參數(shù)對PS-SCED支撐結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律,建立了PS-SCED支撐框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU352.11
【部分圖文】：

平行四邊形滯回曲線，有效改善了邋ＣＳＢ的受壓屈曲、滯回性能拉壓不對稱等不足。逡逑Ｂｌａｃｋ等［３６］對比了具有相同設(shè)計參數(shù)的ＣＳＢ和ＢＲＢ在循環(huán)荷載作用下的滯回曲逡逑線，如圖１－２所示。結(jié)果顯示，ＣＳＢ構(gòu)件的滯回響應(yīng)在其受拉與受壓方向存有明逡逑顯的不對稱現(xiàn)象，且構(gòu)件受壓屈曲嚴重，耗能能力較低。相比ＣＳＢ構(gòu)件，同等設(shè)逡逑計條件的ＢＲＢ構(gòu)件滯回曲線更為飽滿，耗能能力明顯優(yōu)于ＣＳＢ，且在ＢＲＢ受拉逡逑與受壓方向，其滯回曲線基本對稱，具有良好的拉壓對稱性。逡逑ｔ｜邐ｔ邐：栜逡逑，邐ｍｉｌ邋，邋ｉ邋！邋！邋ｊｉ！邋Ｈ逡逑ｉ邐ｓ邋／邋／邋ｉｍＪｊｊ逡逑Ｍ逡逑（－）—邋位移邐＊－邋（＋）邐（－＞邋－？邐邋位移邋邐？邋（＋）逡逑（ａ）邋ＣＳＢ構(gòu)件邐（ｂ）邋ＢＲＢ構(gòu)件逡逑圖１－２邋ＣＳＢ與ＢＲＢ滯回曲線對比逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ＣＳＢ邋ａｎｄ邋ＢＲＢ逡逑ＢＲＢ的抗疲勞性能試驗結(jié)果表明［３Ｗ９］ＢＲＢ構(gòu)件在循環(huán)加載作用下具有良好的逡逑滯回性能，在疲勞荷載作用下易發(fā)生拉斷破壞，但試件在破壞前仍具有穩(wěn)定的滯逡逑回性能及良好的耗能能力。當(dāng)支撐發(fā)生較大變形時，其內(nèi)部填充的混凝土等材料逡逑會發(fā)生膨脹

平行四邊形滯回曲線，有效改善了邋ＣＳＢ的受壓屈曲、滯回性能拉壓不對稱等不足。逡逑Ｂｌａｃｋ等［３６］對比了具有相同設(shè)計參數(shù)的ＣＳＢ和ＢＲＢ在循環(huán)荷載作用下的滯回曲逡逑線，如圖１－２所示。結(jié)果顯示，ＣＳＢ構(gòu)件的滯回響應(yīng)在其受拉與受壓方向存有明逡逑顯的不對稱現(xiàn)象，且構(gòu)件受壓屈曲嚴重，耗能能力較低。相比ＣＳＢ構(gòu)件，同等設(shè)逡逑計條件的ＢＲＢ構(gòu)件滯回曲線更為飽滿，耗能能力明顯優(yōu)于ＣＳＢ，且在ＢＲＢ受拉逡逑與受壓方向，其滯回曲線基本對稱，具有良好的拉壓對稱性。逡逑ｔ｜邐ｔ邐：栜逡逑，邐ｍｉｌ邋，邋ｉ邋！邋！邋ｊｉ！邋Ｈ逡逑ｉ邐ｓ邋／邋／邋ｉｍＪｊｊ逡逑Ｍ逡逑（－）—邋位移邐＊－邋（＋）邐（－＞邋－？邐邋位移邋邐？邋（＋）逡逑（ａ）邋ＣＳＢ構(gòu)件邐（ｂ）邋ＢＲＢ構(gòu)件逡逑圖１－２邋ＣＳＢ與ＢＲＢ滯回曲線對比逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ＣＳＢ邋ａｎｄ邋ＢＲＢ逡逑ＢＲＢ的抗疲勞性能試驗結(jié)果表明［３Ｗ９］ＢＲＢ構(gòu)件在循環(huán)加載作用下具有良好的逡逑滯回性能，在疲勞荷載作用下易發(fā)生拉斷破壞，但試件在破壞前仍具有穩(wěn)定的滯逡逑回性能及良好的耗能能力。當(dāng)支撐發(fā)生較大變形時，其內(nèi)部填充的混凝土等材料逡逑會發(fā)生膨脹

載后可自行恢復(fù)至初始狀態(tài)；而摩擦裝置則可展現(xiàn)出飽滿的平行四邊形滯回曲線，逡逑可有效地耗散地震輸入能量。Ｃｈｒｉｓｔｏｐｏｕｌｏｓ等［５９＿６（）］提出了由該兩種裝置共同組成的逡逑新型ＳＣＥＤ支撐構(gòu)件，并對其進行了低周往復(fù)加載試驗，如圖１－３所示。試驗結(jié)果逡逑表明［６１］該ＳＣＥＤ支撐在循環(huán)荷載作用下可展現(xiàn)出旗形滯回曲線，同時具備良好的逡逑自恢復(fù)性能和穩(wěn)定的耗能能力，從而在地震發(fā)生時既可控制結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)，逡逑又可減小結(jié)構(gòu)的震后殘余變形，且其結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)與支撐滯回曲線剛度過渡段逡逑的平滑性密切相關(guān)［６２］。與之相似，由預(yù)應(yīng)力筋提供自恢復(fù)能力、ＢＲＢ構(gòu)件提供耗逡逑能能力的新型自復(fù)位ＢＲＢ構(gòu)件可兼具自復(fù)位體系和ＢＲＢ構(gòu)件的優(yōu)點［６３＿６５］，在保逡逑持ＢＲＢ穩(wěn)定耗能能力的同時，可減小因其耗能內(nèi)芯屈服而產(chǎn)生的累積殘余變形。逡逑但當(dāng)支撐變形超出預(yù)應(yīng)力筋的最大設(shè)計行程時，該ＳＣＥＤ支撐將失去自恢復(fù)能力，逡逑僅留ＢＲＢ發(fā)揮耗能作用。因此

【參考文獻】

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本文編號：2809872