多层防屈曲耗能支撑框架的弹塑性分析
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摘要
支撑钢框架由于其抗侧刚度大,在设防区有一定的应用优势。而通常采用的普通钢支撑无论中心还是偏心布置,都存在受压时的屈曲问题,尤其在往复的水平地震作用下,支撑构件反复受压屈曲后刚度和承载力急剧下降。
防屈曲耗能支撑作为新型支撑构件,是在普通支撑基础上改进的,其功能同普通支撑一致,但在反复荷载作用下构件屈服而不屈曲,实现了无论受拉还是受压都能全截面屈服。在强震中,构件通过滞回耗散主要的地震能量,起到了保护主体框架的作用。
本文首先介绍了防屈曲耗能支撑发展的背景、现状、其优缺点以及在工程中的应用,从理论上阐述了防屈曲耗能支撑的构件稳定以及构件设计。
其次采用通用有限元软件MIDAS/GEN对纯钢框架、普通支撑框架和防屈曲耗能支撑框架结构在弹性和弹塑性阶段做了对比分析。反应谱分析结果表明:防屈曲耗能支撑框架适于在高烈度设防地区使用;通过在小震、中震、强震下的时程分析,结果表明:防屈曲耗能支撑在小震下与普通支撑框架的抗震性能基本一致,在中震和大震下,防屈曲耗能支撑开始进入耗能工作,通过滞回消耗地震能量,有明显的减震耗能效果。
综上所述,防屈曲耗能支撑由于其明显的减震效果,既可用于新建建筑,也可用于既有建筑的抗震加固和地震后震损结构的加固修复或提高。
Braced frames have advantages in seismic regions because of its excellent lateral resistance system. Whether central or eccentric layout, braced frames always yield in compression, especially under seismic loading, which are damaged by the degradation of its stiffness and strength drastically.
Improved by steel braces, Buckling-Restrained Brace (BRB), as a new member, provides the familiar stiffness and strength of a steel brace without the problem of compression buckling. BRB yields in tension and compression. In stronger earthquake, it exhibits stable and predictable hysteretic behavior, provides significant energy dissipation capacity and is an attractive alternative to protecting steel frames.
The developed background、the prior research、the advantages、disadvantages and application of BRB are firstly clarified in this paper, besides, stability、design and factor governing the mechanical behavior of BRB is carried out in the term of theory and trail.
In the following chapters, among steel frame, braced frame and BRB frame the analytic comparison of seismic responses in elastic and plastic stages is studied, which chooses the MIDAS/GEN. Response spectrum analysis indicates that BRB frames are suitable for M=8 or 9 earthquake regions. Time-history analysis of seismic responses (such as deformation, acceleration and hysteretic behavior) by comparison of small, moderate and strong earthquake shows that in the small earthquake, the BRB frames and the traditional braced frames have the similar performance, but in the moderate and strong one, BRB frames ,with enhanced stable hysteretic behavior, have shown to lead to satisfactory response.
According to the above, BRBs can be used in the new structures, seismic reinforcement of existing ones and repairment of ones after earthquake.
防屈曲耗能支撑作为新型支撑构件,是在普通支撑基础上改进的,其功能同普通支撑一致,但在反复荷载作用下构件屈服而不屈曲,实现了无论受拉还是受压都能全截面屈服。在强震中,构件通过滞回耗散主要的地震能量,起到了保护主体框架的作用。
本文首先介绍了防屈曲耗能支撑发展的背景、现状、其优缺点以及在工程中的应用,从理论上阐述了防屈曲耗能支撑的构件稳定以及构件设计。
其次采用通用有限元软件MIDAS/GEN对纯钢框架、普通支撑框架和防屈曲耗能支撑框架结构在弹性和弹塑性阶段做了对比分析。反应谱分析结果表明:防屈曲耗能支撑框架适于在高烈度设防地区使用;通过在小震、中震、强震下的时程分析,结果表明:防屈曲耗能支撑在小震下与普通支撑框架的抗震性能基本一致,在中震和大震下,防屈曲耗能支撑开始进入耗能工作,通过滞回消耗地震能量,有明显的减震耗能效果。
综上所述,防屈曲耗能支撑由于其明显的减震效果,既可用于新建建筑,也可用于既有建筑的抗震加固和地震后震损结构的加固修复或提高。
Braced frames have advantages in seismic regions because of its excellent lateral resistance system. Whether central or eccentric layout, braced frames always yield in compression, especially under seismic loading, which are damaged by the degradation of its stiffness and strength drastically.
Improved by steel braces, Buckling-Restrained Brace (BRB), as a new member, provides the familiar stiffness and strength of a steel brace without the problem of compression buckling. BRB yields in tension and compression. In stronger earthquake, it exhibits stable and predictable hysteretic behavior, provides significant energy dissipation capacity and is an attractive alternative to protecting steel frames.
The developed background、the prior research、the advantages、disadvantages and application of BRB are firstly clarified in this paper, besides, stability、design and factor governing the mechanical behavior of BRB is carried out in the term of theory and trail.
In the following chapters, among steel frame, braced frame and BRB frame the analytic comparison of seismic responses in elastic and plastic stages is studied, which chooses the MIDAS/GEN. Response spectrum analysis indicates that BRB frames are suitable for M=8 or 9 earthquake regions. Time-history analysis of seismic responses (such as deformation, acceleration and hysteretic behavior) by comparison of small, moderate and strong earthquake shows that in the small earthquake, the BRB frames and the traditional braced frames have the similar performance, but in the moderate and strong one, BRB frames ,with enhanced stable hysteretic behavior, have shown to lead to satisfactory response.
According to the above, BRBs can be used in the new structures, seismic reinforcement of existing ones and repairment of ones after earthquake.
引文
[1]周福霖,工程结构减震控制,北京:地震出版社,1997
[2]Egor P.Popov&Michael D.Engelhardt.Seismic Eccentrically Braced Frames.J.Construct.Steel Research,321-354,10,1988
[3]周云,周福霖,耗能减震体系的能量设计方法,世界地震工程,1997年12月
[4]汪家铭,中岛正爱,屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(Ⅰ),建筑钢结构进展,2005年1月
[5]Wada A,Saeki E,Takeuchi T.and Watanabe,A Development of unbonded brace.Nippon Steel corporation Building construction and Urban Development Division,Tokyo,Japan
[6]刘建彬,防屈曲支撑及防屈曲支撑钢框架设计理论研究[D]:[硕士论文],北京:清华大学,2005
[7]Wakabayashi,M.,Nakamura,T.et al.Experimental Study on the Elasto-Plastic Behavior of Braces Enclosed by Precast Concrete Panels Under Horizontal Cyclic Loading:Parts 1 and 2.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,Architectural Institute of Japan,Structural Engineering Section.10:1041-1044
[8]Fujimoto,M.,Wada,A.et al.A study on the unbonded brace Encased in Buckling-Restraining concrete and Steel Tube.Journal of Structural and construction Engineering.(34B):249-258
[9]Iwata,M.,Kuwahara,S.,et al.Horizontally Loading Test of the Steel Frame Braced with Double-Tube Members.Annual technical papers of steel structures.(1):203-208
[10]Iwata,M.,Kato,T.,and wada,A.Buckling-restrained braces as hysteretic dampers proceedings,STESSA,Quebec,Canada,33-38
[11]Clark P.,Aiken I.et al.Design Procedures for Buildings Incorporating Hysteretic Damping Devices.Structural Engineers Association of California,Proceedings,69th Annual Convention,Santa Barbara,California.1999
[12]staker,R.and Reaveley,L D.Selected study on unbonded braces proceedings,ATC-17-2,Seminar on response Modification Technologies for Performance-Based Seismic Design,ATC and MCEER,339-349
[13]Higgins C.and Newell J,Confined steel brace for earthquake resistant design.Engineering Journal,AISC,41(4),pp.187-202
[14]Lai J.W.and Tsai K.C.Research and Application of Buckling Restrained Braces in Taiwan.2004 ANGER Annual Meeting:The Sheraton Princess Kaiulani,Honolulu,Hawaii.July,2004
[15]陈骥,钢结构稳定理论与设计(第三版),北京:科学出版社,2006
[16]周云,防屈曲耗能支撑结构设计与应用,北京:中国建筑工业出版社,2007
[17]罗树青,邓长根,牛化宪,抑制屈曲支撑的稳定研究.华东船舶工业学院学报,2005年6月
[18]蔡克铨,黄彦智,翁崇兴,双管式挫屈束制(屈曲约束)支撑之耐震行为与应用,建筑钢结构进展,2005年6月
[19]Cameron J.Black,Nicos Makris,Ian D.Aiken.Component testing,seismic evaluation and characterization of Buckling-Restrained Braces[J].Journal of Structure,Engineering,2004,130(6)
[20]周云,金属耗能减震结构设计[M],武汉理工大学出版社,2006
[21]罗开海等,屈曲约束耗能支撑力学性能分析[A],工程抗震与加固改造,2007年4月
[22]Ma,F.,Zhang,H.,etal.Parameter Analysis of the Differential Model of Hysteresis.Journal of Applied Mechanics.ASME,2004
[23]彭俊生,结构振动理论与计算机实践,西南交通大学,2006
[24]杨志勇,李桂青,瞿伟廉,结构阻尼的发展及其研究近况,武汉工业大学学报[T],2000年6月,38-41
[25]周云,粘滞阻尼减震结构设计,武汉理工大学出版社,2006年11月
[26]常业军,苏毅,张富有,程文瀼,工程结构采用粘弹性阻尼器的反应谱设计理论研究[A],2007年3月
[27]周云,耗能减震加固技术与设计方法[M].北京:科学出版社,2006
[28]周云,建筑耗能减震新技术与新体系[D]:[博士学位论文],哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1996
[29]赵经文,结构有限元分析,北京:科学出版社,2001年
[30]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范算例[M].北京:中国建筑 工业出版社,2006
[31]北京金土木软件技术有限公司等,SAP2000中文版使用指南[M],北京:人民交通出版社,2006
[32]包世华.结构动力学,武汉:武汉理工大学出版社,2005
[33]北京迈达斯技术有限公司网站:http://MidasUser.com
[34]Midas/Gen7.1.2帮助
[35]邓军,唐家祥,时程分析法输入地震记录的选择与实例,工业建筑,2000年第8期
[36]张同亿,谢异同,时程分析地震波调整的实用方法,建筑结构,2006年6月
[37]杨溥,李英民,赖明,结构时程分析法输入地震波的选择控制指标,土木工程学报,2000年12月
[38]中国工程建设标准化协会标准.建筑工程抗震性态设计通则(试用)[M],2004年8月1日
[39]Elizabeth Abraham,Edwards and Keleey,Conceptual Investigation of Partially Buckling Restrained Brace.Structural Engineering Research Frontiers
[40]Cameron J.Black,Nicos Makris,lan D.Aiken,Component Testing,Seismic Evaluation and Characterization of Buckling-Restrained Braces.Journal of Structural Engineering,June,2004
[41]Robert Tremblay,M.Lacerte,C.Christopoulos,Seismic Response of Multistory Buildings with Self-Centering Energy Dissipative Steel Braces,Journal of Structural Engineering,January,2008
[42]Larry A.Fahnestorck,Richard Sause,James M.Ricles,Seismic Response and Performance of Buckling-Restrained Braced Frames,Journal of Structural Engineering,september,2007
[43]Alison Shaw,Kristen Bouma,Seismic Retrofit of the Marin County Hall of Justice Using Steel Buckling-Restrained Braced Frames,Structure 2004
[44]胡大柱,李国强,孙飞飞,申情,半刚性连接钢框架结构附加有效阻尼比[A],沈阳建筑大学学报(自然科学版),2008年1月
[45]王华琪,丁洁民,何志军,江韬,防屈曲支撑框架结构的应用研究
[46]郑宏,蔡玉军,樊晶,BRB支撑的耗能机理及极限承载力分析[A],防灾减灾工程学报,2007年4月
[47]王仁华,俞铭华,王林,屈曲约束支撑极限承载力研究方法探讨,钢结构,2007年第1期
[48]沈国庆,陈宏,王元清,石永久,无粘结钢支撑非线性有限元分析[A],四川建筑科学研究,2007年10月
[49]王秀丽,陈明,一种适用于杆系结构的屈曲约束支撑的有限元分析,兰州理工大学学报,2007年6月
[50]郑宏,蔡玉军,影响BRB支撑性能的参数分析,国家自然科学基金赞助项目
[51]欧进萍,吴斌,龙旭,耗能减振结构的抗震设计方法,地震工程与工程振动,1998年6月
[52]刘云贺,张俊发,田洁,王克成,减震耗能系统等效线性化方法研究[A],西安理工大学学报,2000年16卷
[53]蒋通,贺磊,非线性粘滞阻尼器消能结构减震效果分析[A],世界地震工程,2005年6月
[54]黄宗明,白绍良,赖明,结构地震反应时程分析中的阻尼研究[A],土木工程学报,1998年4月
[55]刘保东,朱希,附加黏弹性阻尼器结构模态阻尼比的计算,《工程力学》增刊,2000年
[56]汪锋,新型耗能支撑结构弹塑性抗震性能研究[D],[硕士论文],合肥工业大学,2003年
[57]苏成江,约束屈曲支撑性能分析及在钢框架中的应用研究[D],[硕士论文],兰州理工大学,2007年
[58]李广涛,基于钢框架的屈曲约束支撑结构分析与安装方法研究[D],[硕士论文],重庆大学,2007年,
[59]梁峰,T形截面防屈曲支撑静力分析及防压曲支撑布置方案研究[D],[硕士论文],北京工业大学,2007年
[60]王亚勇,刘小弟,程民宪,建筑结构时程分析法输入地震波的研究[A],建筑结构学报,1991年4月
[61]周云,陈麟,邓雪松,王廷彦,巨型框架-耗能支撑结构新体系[A],广州大学学报(自然科学版),2007年6月
[62]张文芳,靳金平,崔路苗,工程结构消能减震控制的研究与应用[A],工程抗震与加固改造,2005年12月
[63]翁大根,黄伟,吕西林,钢框架消能减震体系研究与工程应用
[64]孙建华,罗开海,王亚勇,白雪霜,含屈曲约束耗能支撑的高层建筑地震作用效应分析[A],工程抗震与加固改造,2007年8月
[65]周云,周福霖,耗能减震体系的能量设计方法[A],世界地震工程,1997年12月
[66]叶列平,马千里,程光熠,张文华,魏捷,西部机电科技商务中心钢结构消能减震计算分析[A],工程抗震与加固改造,2005年6月
[67]张磊,消能支撑布置的位置对高层建筑结构动力响应的影响[D],[硕士论文],兰州理工大学,2007年
[68]陈熠,一字形截面防屈曲支撑的抗震性能研究[D],[硕士论文],湖南大学,2006年
[69]李妍,吴斌,王倩颖,欧进萍,防屈曲钢支撑阻尼器的试验研究[A],土木工程学报,2006年7月
[2]Egor P.Popov&Michael D.Engelhardt.Seismic Eccentrically Braced Frames.J.Construct.Steel Research,321-354,10,1988
[3]周云,周福霖,耗能减震体系的能量设计方法,世界地震工程,1997年12月
[4]汪家铭,中岛正爱,屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(Ⅰ),建筑钢结构进展,2005年1月
[5]Wada A,Saeki E,Takeuchi T.and Watanabe,A Development of unbonded brace.Nippon Steel corporation Building construction and Urban Development Division,Tokyo,Japan
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[7]Wakabayashi,M.,Nakamura,T.et al.Experimental Study on the Elasto-Plastic Behavior of Braces Enclosed by Precast Concrete Panels Under Horizontal Cyclic Loading:Parts 1 and 2.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,Architectural Institute of Japan,Structural Engineering Section.10:1041-1044
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[28]周云,建筑耗能减震新技术与新体系[D]:[博士学位论文],哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1996
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[66]叶列平,马千里,程光熠,张文华,魏捷,西部机电科技商务中心钢结构消能减震计算分析[A],工程抗震与加固改造,2005年6月
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