防屈曲支撐作為一種結(jié)構(gòu)耗能減震的措施,由于其抗震性能好,工程應(yīng)用性較強,近年來備受關(guān)注。而目前已有的防屈曲支撐由于其造價高、易銹蝕、自重大、濕作業(yè)較多等缺點使其在大跨空間結(jié)構(gòu)中的使用受到限制。為擴大防屈曲支撐在空間結(jié)構(gòu)中的適用范圍,需要研制重量輕、約束強度高的輕型防屈曲支撐。FRP具有密度小、強度高、耐腐蝕且可設(shè)計性強的特點,相比鋼或混凝土防屈曲支撐而言,其質(zhì)量更輕,耐久性好,生產(chǎn)及裝配工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點,更適合用于大跨空間結(jié)構(gòu)中。本文提出一種圓鋼管作為耗能芯材,采用GFRP纏繞型材作為約束的新型GFRP-鋼組合防屈曲支撐,并通過試驗和數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地開展了此類新型耗能支撐抗震性能研究。(1)首先,根據(jù)材料特點及加工流程,提出了GFRP-鋼組合防屈曲支撐的構(gòu)造形式。根據(jù)理論公式設(shè)計并加工了7個GFRP-鋼組合防屈曲支撐縮尺試件及1個純鋼普通支撐縮尺試件。其次,分別對各組試件進行了低周往復(fù)加載試驗,對比了約束比,GFRP纏繞角度等變量對此類防屈曲支撐力學性能的影響。最終,通過試件破壞形態(tài),荷載位移曲線和骨架曲線對試驗結(jié)果進行分析,并根據(jù)拉壓不平衡特性,累積滯回耗能性能,附加阻尼比等分別評價該類支撐耗能特性,結(jié)果表明:采用單一GFRP纏繞角度,端部未采取加強措施的試件均在試驗中較早地發(fā)生了整體屈曲,GFRP約束管沿纖維纏繞方向發(fā)生撕裂,最終以鋼管端部拉斷破壞,抗震性能不滿足要求;采用混合纏繞角度,端部采取加勁肋加強的試件的滯回曲線飽滿對稱,耗能能力等各項指標均滿足要求,且鋼管端部始終未發(fā)生嚴重破壞。(2)采用通用有限元分析軟件ABAQUS對GFRP-鋼組合防屈曲支撐的建模方法進行了研究,根據(jù)其特點選擇合適的單元類型及計算方法,建立了GFRP-鋼組合防屈曲支撐的精細化有限元模型,根據(jù)按照試驗加載工況對各組試驗試件的試驗過程分別開展了數(shù)值模擬,對比了試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬,獲得了較好的對比結(jié)果,從而有效地驗證了有限元模型對該類GFRP-鋼組合防屈曲支撐分析的準確性。此外,通過與文獻中其他混合材料防屈曲支撐試驗數(shù)據(jù)的對比,驗證了該有限元模型的適用性。(3)采用上述方法,建立了GFRP-鋼組合防屈曲支撐足尺構(gòu)件的有限元模型,并通過參數(shù)分析系統(tǒng)地對影響防屈曲支撐性能的各項重要參數(shù)進行了數(shù)值模擬對比,其中包括:內(nèi)芯組件與約束組件之間的間隙,約束構(gòu)件GFRP纏繞型材的纖維纏繞角度,內(nèi)芯鋼管的徑厚比,內(nèi)芯鋼管的長細比,以及防屈曲支撐的約束比。通過大量的參數(shù)分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):各組件之間的間隙過小會使內(nèi)芯鋼材的側(cè)向變形不能得到完全釋放,此時GFRP組件受到應(yīng)力負擔較大,對支撐穩(wěn)定性不利,間隙過大則GFRP組件無法起到有效約束作用,核心單元在發(fā)生較大的屈曲變形后才能受到限制,影響支撐的耗能性能;采用混合角度纏繞GFRP的構(gòu)件性能優(yōu)于單一角度纏繞,當采用單一角度纏繞時,GFRP的纏繞角度越接近構(gòu)件的軸向其性能越好;內(nèi)芯鋼管的徑厚比過大會導(dǎo)致內(nèi)芯產(chǎn)生過大的變形,從而容易發(fā)生局部失穩(wěn);在合理的范圍內(nèi),內(nèi)芯鋼管的長細比越大其耗能性能越好,但構(gòu)件的承載力和剛度則會隨之降低;約束比越大,構(gòu)件的滯回曲線越飽滿,耗能能力越強。最后,通過參數(shù)分析結(jié)果提出了該類新型GFRP-鋼組合防屈曲支撐的設(shè)計建議,為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU352.11;TU398.9
【部分圖文】：

題受以下項目支持：） 國家自然科學基金“基于 FRP-鋼組合減震構(gòu)件的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗性能及防御方法研究”（編號：51708521）。） 中國地震局工程力學研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目“多種材復(fù)合耗能支撐抗震性能研究”（編號：2017B11）。.2 課題背景與意義中國作為全球地震多發(fā)的國家之一，地震所造成的災(zāi)害也位列世界前列計，20 世紀我國發(fā)生 7.0 以上等級地震的頻次已占到全球比例的 35%中死于地震的人數(shù)占據(jù)了全球死于地震人數(shù)的一半之多，約有 59 萬人抗震減災(zāi)責任之緊迫。在歷次地震中，多數(shù)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)均具有良好性能，并未發(fā)生嚴重破壞。然而，蘆山地震中幾座大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了著的破壞，包括與支座相連桿件發(fā)生屈曲破壞如圖 1-1 所示，十字板與焊縫失效導(dǎo)致支座破壞如圖 1-2 所示。由此可見，大跨空間結(jié)構(gòu)中抗震完善十分有必要。

題受以下項目支持：） 國家自然科學基金“基于 FRP-鋼組合減震構(gòu)件的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗性能及防御方法研究”（編號：51708521）。） 中國地震局工程力學研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目“多種材復(fù)合耗能支撐抗震性能研究”（編號：2017B11）。.2 課題背景與意義中國作為全球地震多發(fā)的國家之一，地震所造成的災(zāi)害也位列世界前列計，20 世紀我國發(fā)生 7.0 以上等級地震的頻次已占到全球比例的 35%中死于地震的人數(shù)占據(jù)了全球死于地震人數(shù)的一半之多，約有 59 萬人抗震減災(zāi)責任之緊迫。在歷次地震中，多數(shù)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)均具有良好性能，并未發(fā)生嚴重破壞。然而，蘆山地震中幾座大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了著的破壞，包括與支座相連桿件發(fā)生屈曲破壞如圖 1-1 所示，十字板與焊縫失效導(dǎo)致支座破壞如圖 1-2 所示。由此可見，大跨空間結(jié)構(gòu)中抗震完善十分有必要。

傳統(tǒng)防屈曲支撐
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本文編號：2881669