框架結構消能減震方法研究報告內容：概述消能裝置主要分類新型消能減震框架與普通框架的低周反復荷載試驗消能支撐鋼筋砼框架結構的理論分析結論框架結構消能減震方法研究1概述消能支撐（簡稱EDBF）是高層建筑和超高層建筑中實現(xiàn)結構減震控制的一種有效途徑[1]。在風和小地震作用下它能增加結構的水平剛度,減小結構的側移;在中震和大震下它的剛度變小,能減小結構的水平地震作用,同時消耗大量輸入結構的地震能量,使結構的地震反應大大衰減。消能支撐是非承重構件,它對結構的承載力和安全性不構成任何影響和威脅,同時它不需要人工能量輸入。所以,消能支撐結構體系是一種符合我國國情、安全可靠而技術經濟效益高的結構減震體系,尤其適合于內部設有大空間的高柔結構,以及對房屋的抗震設計水平有特殊要求(例如要求“大震可修”,而不是“大震不倒”)的結構[2]。

框架結構消能減震方法研究2消能裝置消能減震技術應用的關鍵在于研制出構造簡單、價格合理、消能能力強、性能穩(wěn)定的消能裝置。消能裝置主要分兩大類:位移相關型和速度相關型；位移相關型消能裝置指摩擦消能器和金屬屈服消能器等,速度相關型消能裝置指粘滯消能器和粘彈性消能器等[3]?？蚣芙Y構消能減震方法研究摩擦消能器最早由加拿大學者[4]等提出,主要利用經處理獲得的鋼板間的摩擦來消耗地震能量。如摩擦滑移節(jié)點,由帶摩擦裝置的滑移節(jié)點和4根鏈桿組成,摩擦裝置是將帶長槽的鋼板通過高強螺栓與另一塊鋼板相連接,鋼板之間夾上摩擦材料或接觸面做摩擦處理,依靠摩擦消能。該消能器性能穩(wěn)定,與按拉桿設計的支撐配合,可自動消除受壓桿的屈曲變形,但在實際工程中應用常受到其摩擦滑移荷載大小的限制。框架結構消能減震方法研究鉛消能器[5]是一種較理想的金屬屈服消能器,它利用鉛良好的塑性性能,通過活塞桿擠壓鉛合金以獲得較大的消能能力。該消能器構造簡單、消能量大、性能穩(wěn)定。金屬屈服-摩擦復合消能器[6]由軟鋼消能圓環(huán)和摩擦元件組成,它綜合利用了外部軟鋼的彈塑性變形能力和內部摩擦元件的摩擦消能能力消能圓環(huán)起消能和連結摩擦元件的雙重作用?？蚣芙Y構消能減震方法研究粘滯消能器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成,活塞上開有小孔,并可以在充有硅油或其它粘滯流體的缸體內作往復運行[7]。當活塞與缸體間產生相對運動時,流體從活塞的小孔內通過,對兩者的相對運動產生阻尼,從而耗散能量。粘滯消能器的阻尼力與建筑物層間相對速度有關,當建筑物偏離初始位置時,速度最大,阻尼力也最大,即消能器施加給建筑物的、與振動方向相反的作用力也最大；振動到最遠點時,速度為零,阻尼力也為零。粘彈性消能器主要依靠粘彈性材料的剪切滯回耗能特性來增加結構的阻尼,最早的粘彈性消能器由美國3M公司研制開發(fā),它由兩塊T形鋼板夾一塊矩形鋼板組成,T形鋼板與中間鋼板之間夾有粘彈性材料,可以在變形時吸收能量?？蚣芙Y構消能減震方法研究位移相關型消能裝置的消能量與建筑物發(fā)生的層間位移、消能器的屈服荷載或滑移荷載有關,同時給結構附加一定的剛度。速度相關型消能裝置的消能量與建筑物發(fā)生振動時的層間相對速度、消能器的阻尼特性有關,一般不給結構附加剛度。框架結構消能減震方法研究下面介紹的是一種新型消能減震框架,并綜合利用不同的消能原理設計了2種新型消能器,進行了4榀消能減震框架和3榀普通框架的低周反復荷載試驗,對比研究了各類框架結構的破壞機理和滯回特性[8]?？蚣芙Y構消能減震方法研究3試件的設計根據(jù)文獻[4]結構控制原理分2批進行了7榀框架結構在低周反復水平荷載作用下的試驗研究[9]

。第1批試件共包括4榀框架(見圖1):MF為普通框架,BF11為普通支撐框架,EDBF11為采用十字型消能器的消能支撐框架,EDBF12為采用圓板型消能器的消能支撐框架?？蚣芙Y構消能減震方法研究圖1第1批試驗模型示意圖框架結構消能減震方法研究第2批試件和第1批試件類似,試件變化參數(shù)為框架的高度和跨度,包括3榀框架(見圖2):BF21為普通支撐框架,EDBF21為采用十字型消能器的消能支撐框架,EDBF22為采用圓板型消能器的消能支撐框架。框架結構消能減震方法研究圖2第2批試驗模型示意圖

框架結構消能減震方法研究3.1鋼筋砼框架模型的設計為便于分析比較,每批試件的鋼筋砼框架模型均采用相同的尺寸和配筋,圖3為第2批試件的鋼筋砼框架模型的配筋圖。在梁柱塑性鉸區(qū)的縱筋和箍筋、支撐桿件、消能器上分別粘貼了若干電阻應變片,以觀測試件在整個試驗過程中的受力狀態(tài)?？蚣芙Y構消能減震方法研究3.2消能支撐體系的設計與制作消能支撐框架與普通支撐框架均采用雙角鋼2L30×3作支撐桿件,支撐及其連結構造參考單層工業(yè)廠房柱間支撐的構造要求設計。本試驗制作了2種新型消能器(圓板型和十字型),它們綜合利用了外環(huán)的彈塑性變形消能能力和內部鋼板之間的摩擦消能能力,具有很高的消能性能[10]。框架結構消能減震方法研究十字型消能器的構造見圖4,它的外部彈塑性消能元件是一只T形截面的圓環(huán);在環(huán)壁上焊接8塊開有長槽的矩形鋼板,它們和一塊開有4條長槽的十字形鋼板相互搭接,由穿過槽孔的高強螺栓來建立鋼板間的預壓應力。圓板型消能器的構造見圖5,其內部摩擦元件是由4塊開有長槽的圓形鋼板迭合而成,4塊鋼板的長槽交錯搭接,由穿過槽孔的高強螺栓來建立鋼板間的摩擦。外部消能環(huán)和內部摩擦鋼板在鋼板的端部焊接在一起.框架結構消能減震方法研究本試驗將十字型消能器安裝在消能支撐框架EDBF11和EDBF21中,圓板型消能器安裝在消能支撐框架EDBF12和EDBF22中。通過扭力扳手建立高強螺栓的預拉力,可人為地控制摩擦的大小,本試驗所采用的消能器的屈服滑移荷載為40kN。消能器制作完成后,通過作為支撐桿件的雙角鋼與鋼筋砼框架角點處的預埋件相焊接。框架結構消能減震方法研究圖3鋼筋砼框架模型配筋圖框架結構消能減震方法研究圖4十字型消能器構造圖圖5圓板型消能器構造圖框架結構消能減震方法研究4試驗概況試驗采用的加載裝置如圖6所示,水平荷載通過固定在水平反力架上的液壓千斤頂施加,豎向荷載由手動千斤頂施加。為減小豎向荷載所產生的水平摩阻力,在豎向反力架和試件之間設置了滾動支座。試驗時,壓力傳感器和水平傳感器與XY記錄儀相聯(lián),以繪制水平力側移滯回曲線。框架結構消能減震方法研究試驗時,首先于每個柱頂分兩級施加豎向荷載100kN,并保持恒定,然后施加水平荷載。在屈服之前,按水平荷載值控制加載,每級荷載循環(huán)一次;屈服之后,按水平位移值控制加載,水平位移值取試件屈服時位移值()的整數(shù)倍,每級位移循環(huán)3次[11]?？蚣芙Y構消能減震方法研究圖6試驗加載裝置示意圖框架結構消能減震方法研究5試驗結果分析圖7和圖8分別為第1批試件和第2批試件的荷載位移滯回曲線?？蚣芙Y構消能減震方法研究圖7第1批試件荷載－位移滯回曲線框架結構消能減震方法研究圖8第2批試件荷載－位移滯回曲線框架結構消能減震方法研究由圖7和圖8可見,普通框架的承載力最低,滯回曲線較為飽滿。普通支撐框架的承載力最高,但其滯回曲線的捏攏性也較大,滯回環(huán)所包圍面積較小,消能能力低。消能支撐框架EDBF11和EDBF21的承載力較低,滯回曲線比普通支撐框架滯回曲線的捏攏性小,滯回環(huán)所包圍的面積也較大,其消能能力較普通支撐框架有顯著的提高。消能支撐框架EDBF12和EDBF22的滯回環(huán)最為飽滿,捏攏性小,同時這種消能支撐框架的承載力也較高,其消能能力最高?？蚣芙Y構消能減震方法研究圖9試驗模型的荷載－位移骨架曲線框架結構消能減震方法研究圖9為試件的荷載位移骨架曲線,試件的開裂載、開裂位移、屈服荷載、屈服位移、最大荷載、極限位移、延性系數(shù)列于表1,其中屈服點按消能面積相等的原則確定?？蚣芙Y構消能減震方法研究表1各試件主要試驗數(shù)據(jù)試件編號開裂荷載開裂位移屈服荷載屈服位移最大荷載最大位移延性系數(shù)/kN

/mm

/kN

/mm

/kN

/mm

第1批MF17.52.05910.263.1454.42BF1-1135.04.21685.0168.0295.80EDBF1-160.05.0936.5109.0416.30EDBF1-260.06.0828.0136.0617.63第2批BF2-170.02.51205.0125.0163.20EDBF2-140.03.9609.076.0384.18EDBF2-250.03.8748.594.0404.70框架結構消能減震方法研究從圖9和表1可見,普通框架的初始剛度、極限承載力、延性均較低;普通支撐框架的初始剛度較大,極限承載力較高,但其延性很低;2榀消能支撐框架的延性比普通支撐框架提高很多,消能支撐框架的極限承載能力可通過改變消能圓環(huán)的尺寸和摩擦滑移荷載來調節(jié)。框架結構消能減震方法研究圖10為試驗模型的剛度退化曲線,其中縱坐標為退化剛度與彈性剛度的比值,橫坐標為水平位移。從圖中可以看出,普通框架和普通支撐框架的剛度退化速率明顯高于2榀消能支撐框架,說明安裝了消能器后可有效地增強支撐框架的后期剛度,起到了良好的“二道防線”作用。框架結構消能減震方法研究圖10試驗模型的剛度退化曲線框架結構消能減震方法研究圖11試驗模型的等效阻尼系數(shù)曲線圖11為試驗模型的等效阻尼系數(shù)變化曲線。從圖11中可以看出,2榀消能支撐框架的阻尼系數(shù)明顯高于普通框架和普通支撐框架,表明它們的消能能力遠大于后者?？蚣芙Y構消能減震方法研究6消能支撐鋼筋砼框架結構的理論分析6.1非線性有限元分析框架梁柱單元剛度的集成按實際剛度法進行,在計算截面彎矩-曲率(M-)關系時,采用平截面假定。受拉區(qū)砼應力-應變關系采用單軸作用下的砼本構關系模型:上式中，為砼的抗拉強度?？蚣芙Y構消能減震方法研究受壓區(qū)砼的應力-應變關系采用Hognestad提出的模型,上升段為拋物線形式變化,下降段為直線變化:上式中,、、為砼最大壓應力及其相對應的應變值和極限應變值。計算時,取為砼圓柱體抗壓強度,取為0.002,取為?？蚣芙Y構消能減震方法研究鋼筋的應力-應變關系采用理想彈塑性。對框架柱,其軸力為變值,因此事先按柱軸壓比劃分軸力等級,按不同的軸力等級計算不同的截面M-曲線,然后將M-曲線按開裂、屈服(受拉筋屈服為標志)、極限強度、強度退化4階段作線性簡化；框架分析中的截面實際M-曲線運用,由其實際軸力值按簡化曲線插值求得。在線性分析程序設計中,為了得出荷載-位移全過程曲線(包括下降段),采用了加變形反求側力法,可以計算出框架荷載-位移曲線的下降段?？蚣芙Y構消能減震方法研究圖12a、b為用上述程序分析模型BF和EDBF的計算結果和實測曲線的比較。比較表明,本試驗建立的非線性分析模型可較準確地分析普通支撐框架及消能支撐框架的非線性全過程。(a)BF模型(b)EDBF2模型圖12試驗模型的理論計算和實測骨架曲線

框架結構消能減震方法研究6.2彈塑性時程分析采用桿系模型編制了消能支撐框架結構的彈塑性時程分析程序,鋼筋砼梁柱單元恢復力特性曲線采用了剛度退化三線型模型；將消能支撐視為二力桿,符合理想彈塑性性質,其拉壓“屈服應力”取為摩擦消能器的滑移荷載。本試驗用該程序對振動臺試驗模型EDBF1進行了分析計算,時程分析選用ElCentro波,加速度峰值分別取amax=0.4g,輸入波長為15s,分為3000步積分,步長為。圖13為試驗模型在地震波作用下的頂層加速度反應時程的實測值與計算值的比較?？蚣芙Y構消能減震方法研究(a)試驗值(b)計算值圖13EDBF試驗模型彈塑性時程分析結果框架結構消能減震方法研究從圖13中可以看出,彈塑性時程分析理論值和振動臺試驗實測值符合較好,模型頂層加速度反應理論值和實測值相差3%,說明本試驗所采用的消能支撐框架的計算模型是合理的,較好地模擬了消能支撐框架的地震反應,可用于同類結構實際工程的地震反應分析?？蚣芙Y構消能減震方法研究參考文獻[1]周福霖.工程結構減震控制[M].北京:地震出版社,1997.[2