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全钢防屈曲支撑的抗震性能及稳定性设计方法

作　者: 赵俊贤
导　师: 吴斌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 结构耗能减震阻尼器防屈曲支撑抗震性能稳定性节点转动
分类号: TU352.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

防屈曲支撑是一种利用钢材宏观上发生轴向拉压塑性变形来消耗地震能量的位移相关型阻尼器，同时也是一种宏观上不会发生屈曲的钢支撑抗侧力构件，其主要由承受轴力的钢支撑内芯以及防止内芯屈曲的外包约束构件两部分组成。由于受到约束构件的外围套箍作用，在中震和大震作用下，钢支撑内芯可以在拉压受力状态下全截面充分屈服耗散地震能量而不会发生大幅值屈曲。这种特殊的受力特性使其可以最大限度地发挥钢材良好的耗能能力，避免主体结构在大震中发生严重损伤，因此开展防屈曲支撑耗能减震技术的研究对于提高建筑结构大震不倒甚至大震可修的能力具有十分重要的现实意义。本文主要研究全钢防屈曲支撑的抗震性能及稳定性设计方法，主要研究内容及结论如下：（1）在第2章中，针对传统焊接十字形内芯防屈曲支撑的缺点，提出一种新型全角钢防屈曲支撑。首先，通过第一批试验研究了其抗震性能，分析表明，新型支撑所采用的内芯无焊接技术方案可以很好地解决传统焊接内芯构造所引起的技术问题和性能问题。最后，分析了试件的破坏模式及支撑端部转角特点，发现了铰接支撑端部的刚体转动特性。试验结果表明，支撑内芯外伸段即使在满足传统构造要求的前提下依然会较早发生屈曲破坏，这种破坏模式与支撑端部的刚体转角有关。（2）在第3章中，针对第一批试验所发现的与防屈曲支撑稳定性有关的新问题，作者开展了第二批试验以深入研究支撑端部转动对内芯外伸段平面内稳定性的影响。首先，分析了试件的滞回性能、破坏模式以及支撑端部转角特性，并发现了三种支撑端部转动模式。然后，揭示了内芯外伸段的屈曲破坏机理，以及支撑端部转角特性与支撑整体弯曲受力特性之间的相关关系，并讨论了支撑端部转动模式的影响因素。最后，分析了支撑端部转角的基本构成，并提出了刚体转角变形的计算方法，为后续相关理论研究奠定基础。（3）在第4章中，针对第一批和第二批试验所发现的新问题以及防屈曲支撑稳定性研究的共性问题，提出了考虑节点转动的铰接防屈曲支撑内芯外伸段平面内稳定设计方法。首先，在整体刚体转动变形的基础上考虑支撑的端部两点接触效应推导出内芯外伸段控制截面的弯矩及支撑端部转角计算公式。然后，利用前两批试验结果对理论分析结果进行验证，分析结果表明，所提出的设计方法可以合理地反映内芯外伸段的压弯复合受力状态。最后，通过理论分析结果对影响内芯外伸段稳定性的因素进行了参数分析，讨论了最优设计参数的取值范围并给出了设计建议，为相关稳定性设计提供参考。（4）在第5章中，作者开展了第三批试验以研究支撑端部转动对整体稳定性的影响。首先分析了试件的滞回性能、支撑端部转角特性以及约束构件的弯曲受力特性，并讨论了支撑端部转角及转动模式对整体稳定性的影响。试验中发现了铰接支撑端部刚体转动后会在约束构件端部引起附加端弯矩这一受弯特性，导致支撑在满足传统设计要求的前提下仍然提前发生整体屈曲破坏，表明传统设计方法是偏于不安全的。然后，揭示了约束构件端部弯矩的产生机理，并提出了端部弯矩的简化预测方法，为后续相关理论研究奠定基础。（5）在第6章中，基于第三批试验所发现的新问题以及传统设计方法存在的关键理论问题，提出了铰接防屈曲支撑平面内整体稳定设计方法。首先，提出了判断端部接触状态的理论与试验判定方法，确定了支撑的理论分析模型，提出了整体稳定设计准则。然后，利用第三批试验结果对理论分析结果进行验证，分析表明，所提出的设计准则可以合理地反映端部两点接触作用、内芯屈曲以及摩擦力的综合影响。最后，基于理论分析结果对影响铰接防屈曲支撑整体稳定性的因素进行了参数分析，总结了最优设计参数的取值范围并提出了设计建议，为相关稳定性设计提供参考。（6）为方便实际应用，作者在第7章中提出了基于弯矩放大系数的稳定性实用设计方法及统一设计方法。首先，提出了弯矩放大系数的概念，通过多元回归方法得到了弯矩放大系数与关键支撑参数之间的相关公式，进一步提出了平面内稳定实用设计公式，并以全角钢防屈曲支撑为例给出了实用设计方法的实现方法。最后，针对实际设计中存在的问题，提出了防屈曲支撑整体稳定统一设计方法，该方法可以把不同连接特性、端部构造以及受力特性的防屈曲支撑的整体稳定设计进行统一，进一步规范和简化了防屈曲阻尼器的设计。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-19
第1章绪论  19-59
  1.1 课题研究背景  19-20
  1.2 防屈曲支撑的提出  20-28
    1.2.1 背景及基本思想  20-22
    1.2.2 提出的必要性  22-23
    1.2.3 技术要求与工作原理  23-25
    1.2.4 实现方法  25-28
  1.3 防屈曲支撑截面形式的发展与应用  28-34
  1.4 防屈曲支撑的突出优点  34-37
  1.5 国内外研究进展  37-52
    1.5.1 防屈曲支撑的整体稳定性与设计方法  39-45
    1.5.2 防屈曲支撑的局部稳定性与设计方法  45-47
    1.5.3 支撑内芯外伸段的平面内稳定性与设计方法  47-51
    1.5.4 支撑内芯外伸段的平面外稳定性与设计方法  51-52
  1.6 当前研究存在的主要问题  52-55
    1.6.1 传统构造方法的主要问题  53
    1.6.2 传统稳定性设计方法的主要问题  53-55
  1.7 本文研究内容及创新点  55-58
  1.8 本文研究课题来源  58-59
第2章新型全角钢防屈曲支撑的抗震性能试验研究  59-95
  2.1 引言  59
  2.2 全角钢防屈曲支撑的提出  59-63
  2.3 第一批试验方案  63-80
    2.3.1 试件设计与制作  63-70
    2.3.2 内芯屈服段的初始几何缺陷  70-73
    2.3.3 钢材力学性能  73
    2.3.4 试件参数  73-75
    2.3.5 试验装置及测量方案  75-78
    2.3.6 试验加载方案  78-80
  2.4 第一批试验结果及分析  80-94
    2.4.1 滞回性能  80-82
    2.4.2 抗震性能评价  82-87
    2.4.3 破坏模式与破坏现象  87-90
    2.4.4 支撑端部转角特性  90-92
    2.4.5 滞回性能及破坏模式的影响因素  92-94
  2.5 本章小结  94-95
第3章考虑节点转动影响的防屈曲支撑内芯外伸段稳定性试验研究  95-119
  3.1 引言  95-96
  3.2 第二批试验方案  96-99
    3.2.1 试件构造  96
    3.2.2 试件参数  96-98
    3.2.3 试验测量及加载方案  98-99
  3.3 第二批试验结果及分析  99-113
    3.3.1 滞回性能与破坏模式  99-101
    3.3.2 支撑端部转角特性  101-103
    3.3.3 支撑内芯外伸段的局部破坏机理  103-107
    3.3.4 外包约束构件的弯曲受力特性  107-109
    3.3.5 支撑端部转动模式的主要影响因素  109-113
  3.4 支撑端部刚体转角分析  113-118
    3.4.1 刚体转角的预测方法  113-116
    3.4.2 支撑端部刚体转角的关键影响参数  116-118
  3.5 本章小结  118-119
第4章考虑节点转动的防屈曲支撑内芯外伸段稳定性设计方法  119-142
  4.1 引言  119
  4.2 相关研究的主要问题  119-121
  4.3 内芯外伸段平面内稳定性分析与设计方法  121-129
    4.3.1 基本思想  121
    4.3.2 理论分析模型  121-123
    4.3.3 平衡方程  123-126
    4.3.4 变形协调及弯矩作用效应  126-127
    4.3.5 设计准则  127-129
  4.4 试验验证  129-134
    4.4.1 试件参数概况  129-130
    4.4.2 设计准则验证  130-132
    4.4.3 理论分析结果验证  132-134
  4.5 关键支撑参数对内芯外伸段稳定性的影响  134-139
    4.5.1 影响参数  134
    4.5.2 长度参数和刚度参数的影响  134-136
    4.5.3 间隙和初始几何缺陷的影响  136-137
    4.5.4 支撑端部转动模式的影响  137
    4.5.5 关键参数对 ABRB 试件的综合影响  137-139
  4.6 设计建议  139-141
  4.7 本章小结  141-142
第5章考虑节点转动影响的防屈曲支撑整体稳定性试验研究  142-167
  5.1 引言  142-143
  5.2 第三批试验方案  143-150
    5.2.1 试件构造  143-145
    5.2.2 试件的端部构造设计  145-146
    5.2.3 试件的整体稳定设计  146-148
    5.2.4 试验测量方案及加载制度  148-150
  5.3 第三批试验结果  150-156
    5.3.1 滞回性能与破坏模式  150-152
    5.3.2 支撑端部转角变形  152-154
    5.3.3 外包约束构件的弯曲受力特性  154-156
  5.4 试验结果的进一步讨论  156-159
    5.4.1 支撑端部转角变形的影响  156
    5.4.2 支撑端部转动模式的影响  156-157
    5.4.3 对传统整体稳定设计方法的重新评价  157-159
  5.5 外包约束构件的端部弯矩分析  159-166
    5.5.1 端部弯矩及弯曲变形模式的产生机理  159-160
    5.5.2 端部弯矩对整体稳定的影响  160-164
    5.5.3 影响端部弯矩的关键参数  164-166
  5.6 本章小结  166-167
第6章考虑节点转动的防屈曲支撑整体稳定设计方法  167-190
  6.1 引言  167-168
  6.2 理论分析模型  168-172
    6.2.1 模型的建立  168-169
    6.2.2 接触状态的判定方法  169-172
  6.3 约束构件弯矩及支撑端部转角计算方法  172-175
  6.4 整体稳定设计准则及整体屈曲荷载  175-177
  6.5 试验验证  177-183
    6.5.1 试件参数及主要试验结果  177-178
    6.5.2 约束构件弯矩及支撑端部转角变形验证  178-180
    6.5.3 设计准则及整体屈曲荷载验证  180-183
  6.6 关键支撑参数对整体稳定的影响  183-188
    6.6.1 影响参数  183-184
    6.6.2 约束构件刚度的影响  184
    6.6.3 几何参数的影响  184-186
    6.6.4 间隙和约束构件初始挠度的影响  186-187
    6.6.5 约束构件弯曲变形模式的影响  187-188
    6.6.6 摩擦力的影响  188
  6.7 设计建议  188-189
  6.8 本章小结  189-190
第7章防屈曲支撑平面内稳定实用设计方法及整体稳定统一设计方法  190-207
  7.1 引言  190
  7.2 基于弯矩放大系数的实用设计方法  190-201
    7.2.1 弯矩放大系数的概念  191-192
    7.2.2 弯矩放大系数的确定  192-197
    7.2.3 实用设计方法的应用  197-201
  7.3 整体稳定性统一设计方法  201-205
    7.3.1 当前整体稳定设计的主要问题  201-202
    7.3.2 整体稳定统一设计公式及其应用  202-205
  7.4 本章小结  205-207
结论与展望  207-210
附录 A 第 4 章中的无量纲系数  210-211
附录 B 内芯外伸段稳定性分析方法(S 和 L 模式推导)  211-214
附录 C 第 6 章中 C 模型的无量纲系数  214-215
附录 D 整体稳定分析方法(S, L1 和 L2 模型推导)  215-222
参考文献  222-233
攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果  233-240
致谢  240-241
个人简历  241

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