钢结构斜隅支撑体系弹塑性计算方法研究

钢结构斜隅支撑体系是一种新型结构体系。与一般的纯框架和中心支撑框架体系不同,该体系综合了延性好、抗侧移刚度大的特点。在遭遇罕遇地震荷载作用下,结构通过隅撑的弯曲屈服耗能,保证其他主要构件不受损伤,使得震后修复较为容易且费用较低。但此类结构复杂的非线性分析在一定程度上阻碍了其推广与应用。本文经过力学分析推导,结合有限元方法和塑性铰理论提出了一种简化计算分析模型。采用该模型,整个求解过程仅涉及少量的线性计算,不涉及迭代,可以有效地简化斜隅支撑结构在侧向荷载作用下的弹塑性受力分析。算例表明,该计算方法建模合理,运算速度快。同时,计算结果稳定、可靠,与有限元分析程序得出的结果具有较好的一致性。     

新型PEC柱(强轴)-钢梁(RBS)组合框架层间倒塌机理试验研究

结构抗倒塌性能是维系结构震后整体性和实现"大震不倒"设计标准的关键所在。为研究新型PEC柱(强轴)-钢梁(BRS)组合框架结构的层间子结构倒塌机理,按1∶2缩尺比例设计制作1榀组合框架层间子结构试件并进行拟静力抗震试验。基于试验现象记录和测试数据整理,分析了试件的破坏过程、滞回特性、水平抗侧刚度退化、耗能能力、水平侧移模式与塑性破坏机构等抗震性能。研究结果表明:对穿螺栓连接实现了节点区混凝土斜压带传力模式,且梁端截面削弱使梁端出现塑性铰远离节点区,较好满足了"强节点弱构件"的抗震要求;试件位移延性系数μ_u=4.36,最大等效黏滞阻尼比(ζ_(eq))_(max)=0.344,具有较好的抗震延性和耗能能力;试件水平抗侧刚度沿高度分布均匀,呈现理想倒三角形侧移模式;试件最终破坏模式为梁端削弱截面屈服形成塑性铰的理想塑性破坏机构,且其承载力下降到极限承载力85%时,对应层间相对侧移和节点转角均超过罕遇地震作用下层间侧移限值1/30,试件具有良好的抗倒塌能力。     

强震时高层钢结构中外挂板减震作用的下限值

文中利用常遇地震下的结构分析模型，对在罕遇地震（强震）作用下设置外挂板的实际高层钢结构分别输入多条地震波进行了时程反应近似分析．计算结果表明，在罕遇地震作用下与在常遇地震作用下一样，外挂板有不可忽视的减震作用．通过分析，找到了外挂板减震作用的下限值     

基于放大式节点阻尼器的框架结构抗震性能研究

针对普通节点阻尼器在层间位移角较小时无法充分发挥阻尼器性能的问题,基于杠杆原理提出一种新型位移放大式节点阻尼器。首先介绍阻尼器的基本构造、工作原理并建立数值模型;然后建立含阻尼器的多尺度框架模型,开展结构静、动力弹塑性分析,探讨位移放大阻尼器与无放大阻尼器对框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:放大式节点阻尼器耗能能力为无放大阻尼器的5.7倍;在多遇及罕遇地震作用下,相比布置无放大阻尼器的框架结构,布置放大式节点阻尼器的框架结构基底剪力响应分别减少13%、6%,层间位移角分别减少13%、11%,有效提升了结构的抗震性能。     

方钢管混凝土柱延性的实验研究

针对结构抗震设计对延性的要求,对不同轴压比、长细比和混凝土标号的7根方钢管混凝土柱试件进行了低周反复加载实验,得到了框架柱的荷载位移曲线、骨架曲线以及各阶段的荷载位移值,据此分析了各种因素对方钢管混凝土柱延性的影响.实验结果表明:剪力滞引发了方钢管混凝土柱的塑性铰,塑性铰的扩展是柱端承载力下降的根本原因,增大轴压比将引起塑性铰更早出现,进而降低框架柱的延性和水平抗剪能力;增大长细比可以延缓塑性铰出现,提高柱的延性和耗能能力,但是水平抗剪能力下降;提高混凝土强度等级可以降低大轴压比、大长细比带来的不利因素.实验结果与有限元计算数据吻合良好.     

SEISMIC PERFORMANCE OF STEEL STRUCTURES WITH REDUCED BEAM SECTION CONNECTIONS

采用有限元方法对翼缘削弱型节点钢结构的抗震性能进行了研究,通过模态分析和动力时程分析,详细分析了框架的周期、结构动内力、动应力以及塑性变形区的发展规律等,并和普通节点框架的计算结果进行对比. 研究结果表明：在小震下,翼缘削弱型节点的抗震性能并不理想,但在大震下,表现出了良好的抗震性能,塑性变形出现在梁端削弱处,塑性应变增加,柱底剪力和顶层位移均比普通节点框架的小,建议在强震区推广使用翼缘削弱型节点.     

全局性能水准与构件局部损伤状态

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

全局性能水准与构件局部损伤状态相关性研究

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

基于ABAQUS的超高层建筑动力弹塑性抗震分析Dynamic elasto-plastic seismic analysis for a super high-rise building based on ABAQUS

某国际金融中心超高层建筑共113层,结构高度423 m。首先,利用S A P2000软件建立结构的有限元模型,通过基于C＃语言开发的导航式接口程序TJU ．SAP2ABAQUS将SAP2000模型转换为 ABAQUS模型。然后,依据规范进行7°多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。最后,模拟了超大震作用下该超高层结构的破坏过程。结果表明,（1）不同强度地震作用下结构的层间位移角均能满足规范限值要求。（2）罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的抗震设防要求且有较高的安全储备。（3）超大震作用下,结构竖向刚度变化位置是结构潜在的薄弱部位,在抗震设计时应给予重点关注。     

基于ABAQUS的超高层建筑动力弹塑性抗震分析

某国际金融中心超高层建筑共113层,结构高度423m。首先,利用SAP2000软件建立结构的有限元模型,通过基于C#语言开发的导航式接口程序TJU.SAP2ABAQUS将SAP2000模型转换为ABAQUS模型。然后,依据规范进行7°多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。最后,模拟了超大震作用下该超高层结构的破坏过程。结果表明,(1)不同强度地震作用下结构的层间位移角均能满足规范限值要求。(2)罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的抗震设防要求且有较高的安全储备。(3)超大震作用下,结构竖向刚度变化位置是结构潜在的薄弱部位,在抗震设计时应给予重点关注。     

穿斗式木框架受力性能研究

为研究西南地区穿斗式木结构的承载能力和变形特征,设计了单榀足尺穿斗式木框架进行水平静力单调加载试验,获得了木框架水平荷载-位移曲线关系以及木框架的整体破坏形态等,并采用ABAQUS 软件对木框架进行数值分析．研究表明木框架破坏形式表现为框架整体的严重倾斜,柱与枋本身较为完好;木框架柱顶侧移随着加载位移的增加呈线性增长关系,对称的左右立柱和瓜柱柱顶侧移基本一致;不同节点榫头同步拔出,拔榫量峰值相差较小,表现出较好的协调性;暗销节点的变形主要表现为榫头的挤压凹陷,榫头横纹方向较早地进入塑性变形阶段．卯口受压变形较小,处于弹性变形阶段．     

梁柱不同混凝土强度的高层框架节点试验和有限元分析

高层框架结构设计时，梁板与柱常常会采用不同的混凝土强度等级，柱的混凝土强度等级往往高于梁板。对于梁柱的节点，一般多采用与柱相同的强度等级，这给施工带来很大麻烦，如果采用与梁板相同强度等级混凝土时。虽然方便了施工，但降低了节点的抗震性能。本文的研究是通过对此类节点采取加强措施，以弥补混凝土强度等级降低的不利影响。通过节点模型试验，研究其受力性能及破坏机理，验证加强措施的有效性。并在试验研究的基础上，用有限元方法对受力复杂的节点进行分析，结果表明节点区混凝土存在应力集中和应力扩散现象以及存在混凝土侧向受拉的现象．证实了梁加腋和增设X型钢筋后节点受力性能得到了改善和加强。这些研究成果对目前高层建筑梁柱节点采用不同混凝土强度等级的设计、施工提供了有益的参考。     

L、T、十形截面型钢混凝土异形柱滞回性能对比分析

为了研究截面形状对型钢混凝土(SRC)异形柱滞回性能的影响,完成了4个L形、6个T形和2个+形截面SRC异形柱构件的低周反复荷载实验,并获取了此类构件的破坏形态和滞回曲线。在此基础上,对比分析了截面类型对SRC异形柱在耗能能力、变形性能及地震损伤等方面的影响。研究结果表明:型钢混凝土异形柱的破坏形态与剪跨比有关,剪跨比大的试件易发生弯曲型破坏,而小剪跨比的试件易发生剪切型破坏;L形柱的滞回环捏拢程度最大,其次为T形柱,最后为+形柱;+形柱和L形柱的相对受剪承载能力和耗能能力均比T形柱大;T形柱的变形能力要优于L形柱;型钢混凝土异形柱构件的相对损伤累积程度与柱肢数有关,其主要表现为随着柱肢数的增多,异形柱的损伤发展水平加快。     

The Effect of Multiple Buckling Modes on the Postbuckling Behavior of Plane Elastic Frames. Part II. Asymmetric Frames

The postbuckling behavior of an asymmetric one-bay, two-storey frame with clamped edges is analyzed. Columns have different bending stiffnesses and are pairwise of the same length. By assuming columns to be inextensible and shear undeformable, and beams to be rigid, two buckling modes are possible which are described by the sidesway of the lower floor with a rigid horizontal displacement of the upper floor and a sidesway of the upper floor, the lower floor undergoing no displacement. By properly selecting the ratios EI/h² (EI being the bending stiffness of a column and h its length) the two buckling modes may occur simultaneously. A third buckling mode is also possible which is characterized by no displacement of the horizontal beams and local deflection of one or more columns in the shape of a beam with fixed edges. This third case will not be considered in this paper. The Koiter general nonlinear theory of elastic stability recast in a form convenient for the development of finite elment models along lines similar to the recent presentation by Budiansky has been employed in the analysis. Nonlinear constraints on the field variable φ (φ being the cross-section rotation) are accounted for by means of Lagrangian multipliers. Results show that the postbuckling behavior of a single buckling mode is always asymmetric unstable and depends both on the degree of asymmetry of the structure and on the ratio h/l, l being the frame span. The occurrence of simultaneous buckling modes exacerbates the imperfection sensitivity of the structure.     

地基不均匀沉降对框架结构影响的有限元分析

利用ANSYS有限元程序分析某三层框架中柱柱脚不同沉降量作用下上部结构产生附加内力的规律.首先,定义"solid65"实体单元建立框架三维整体模型,分析的结果可以供子模型施加切割边界自由度约束时调用.其次,建立精密划分单元的三跨框架梁子模型.从梁纵向钢筋的应力分析结果可以看出,随着中间柱脚处沉降变形的增大,框架梁边柱支...     

Slepian Approach to a Gaussian Excited Elasto-Plastic Frame Including Geometric Nonlinearity

Taking geometric non-linearity into account, an oscillator inthe form of a portal frame with a rigid traverse and withideal-elastic-ideal-plastic clamped-in columns behaves under horizontalexcitation as an ideal-elastic-hardening/softening-plastic oscillatorgiven that the columns carry a tension/compression axial force. Assumingthat the horizontal excitation of the traverse is Gaussian white noise,statistics related to the plastic displacement response are determinedby use of simulation based on the Slepian model process method combinedwith envelope excursion properties. Besides giving a physical insight,the method gives good approximations to results obtained by slow directsimulation of the total response. Moreover, the influence of a randomlyvarying axial column force is investigated by direct responsesimulation. This case corresponds to parametric excitation as generatedby the vertical acceleration component in an earthquake.     

新型外包钢混凝土组合梁框架结构抗震性能的试验

为克服型钢混凝土柱-钢梁组合框架结构体系存在的缺点,提出了一种新型外包钢混凝土组合梁-型钢混凝土柱组合框架结构体系。设计制作了一榀一跨两层型钢混凝土柱-外包钢砼梁的组合框架结构模型,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载,对模型框架进行了抗震性能试验研究。结果表明,基于现行规范及作者新研究外包钢组合梁计算理论所设计的型钢混凝土组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求,且模型框架的有效延性系数达到了7.93。可见,新型型钢混凝土组合柱-外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和型钢混凝土柱-钢梁框架结构,可在高层建筑中应用。     

高层钢-混凝土混合结构地震作用下的能量反应分析

针对目前高层建筑混合结构中常用的外钢框架-内混凝土核心筒混合结构,从地震能量输入和结构能量耗散的角度对其进行了地震作用下的能量反应分析.通过选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其在滞回耗能和阻尼耗能之间的分配情况进行了研究,明确了地震动各参数的变化对混合结构能量反应的影响;通过分析不同地震波作用下混合结构的滞回耗能在外钢框架和内混凝土核心筒间的分布以及在结构层间的分部情况知,底层剪力墙是整个混合结构中滞回耗能比较集中的区域,地震破坏最为严重.通过本文研究知,地震反应的能量分析方法是一种能较好反应混合结构在地震作用下的地震反应全过程及其弹塑性性能的方法.     

Analyses and evaluations for composite-moment frames with SMA PR-CFT connections

This paper describes seismic performance and evaluation for composite-moment frames (C-MF) with a new type of bolted connections. The study is purely analytical and explores the effort needed to establish new connection parameters without large-scale physical testing. The innovative aspects of this research are in the use of partial restraint (PR) connections between steel beams and concrete-filled tube (CFT) columns that utilize a combination of low-carbon steel and shape memory alloy (SMA) components as the main force transfer elements in the connections. The intent is to utilize the recentering provided by super-elastic shape memory tension bars to reduce building damage and residual drift after a major earthquake, and the energy dissipation of low-carbon steel components in parallel. Accurate modeling and computational efficiency were achieved through the use of a simplified joint element which includes all connection strength and deformation components. Four- and six-story C-MF models were designed for a high seismic zone in the western USA. Two connection types and three column systems installed at these prototype frame models were investigated through nonlinear pushover and dynamic analyses. The C-MF models with new bolted connections were compared to those with traditional welded connections. The results of numerical analysis demonstrate that C-MF with new PR connections show superior structural performance as indicated by small residual deformation and better distribution of the demand over the height of the structure.