带有约束屈曲支撑杆件的空间网壳结构抗震性能分析与试验研究

论文摘要

近年来大跨空间结构发展迅速,网壳结构抗震性能研究尤为重要。目前,抗震设计方法是通过增强结构自身的刚度来抵御地震作用,满足抗震设防目标,当遇到强烈地震时结构的主受力构件将进入弹塑性工作阶段,造成结构的损伤。因而提高大跨空间结构的安全度、降低结构损伤将是大跨空间结构抗震设计的发展方向之一。而我国大部分地区又处于地震区,需要考虑地震动的影响,所以对大跨度结构抗震减震性能进行深入细致的研究有着非常重要的理论意义和工程实用价值。鉴于此,本文首先提出一种带接触环的双钢管约束屈曲支撑,详细分析研究其性能,然后运用结构控制理论,结合空间网壳结构的受力与构造特征,提出利用带接触环的双钢管约束屈曲支撑代替原结构部分杆件的思路,构成了新的网壳结构减震体系,并对装有约束屈曲支撑的网壳体系的抗震性能进行了分析和研究。本文主要在以下几个方面进行了分析研究:(1)提出新型约束屈曲支撑构造,即带接触环的双钢管约束屈曲支撑,它具有比混凝土外包的约束屈曲支撑构件质量轻、连接方便、接合段强度和刚度高等优点,非常适合在大跨度空间结构中应用。(2)建立了带接触环的双钢管约束屈曲支撑简化计算模型,根据能量理论推导出约束屈曲支撑的刚度方程,并利用MATLAB语言编制有限元计算程序,计算了该支撑的稳定承载能力。(3)建立带接触环的双钢管约束屈曲支撑的有限元实体模型,利用ANSYS软件对带接触环的双钢管约束屈曲支撑进行详细地分析与研究,全面掌握构件的强度、刚度和耗能特性。(4)在有限元计算的基础上进行了新型支撑构件的试验研究,讨论了支撑在单向加载下的承载能力、荷载位移曲线变化规律;分析了在循环加载下带接触环的双钢管约束屈曲支撑的耗能性能,并且讨论了接触环数量、外套管间隙、外套管刚度对滞回曲线的影响。最后得到了带接触环的双钢管约束屈曲支撑的恢复力特性及简化模型。(5)将带接触环的约束屈曲支撑装入网壳结构,替换网壳结构中部分杆件,替换后使得结构的刚度和阻尼发生了变化,通过刚度和阻尼的变化来提高结构的抗震能力,并根据结构控制理论提出了新型结构的减震思想。利用通用软件ANSYS对装有约束屈曲支撑的网壳结构进行动力时程分析,研究了单层K6型网壳结构的动力性能,讨论了结构在水平地震作用、竖向地震作用以及三向地震作用下的动力响应规律。(6)研究在三向地震作用下带约束屈曲支撑网壳与下部支承结构共同工作时的抗震性能,发现装有约束屈曲支撑后,网壳结构节点位移峰值和主受力杆件内力峰值降低幅度较大,整个网壳结构的受力比较均匀。使结构的内力和位移的峰值大幅度减小,防止了结构个别杆件的过早破坏,达到了约束屈曲支承先屈服耗能保护结构主受力杆件的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 约束屈曲支撑研究现状
• 1.2.1 约束屈曲支撑起源
• 1.2.2 约束屈曲支撑的发展
• 1.2.3 约束屈曲支撑的工程应用
• 1.3 网壳结构减震研究现状
• 1.4 本文研究的目的与内容
• 第2章 带接触环的双钢管约束屈曲支撑的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 工作原理及组成
• 2.3 工作环境
• 2.4 整体稳定性能
• 2.5 等效刚度
• 2.6 带接触环的约束屈曲支撑内核的稳定性计算
• 2.7 缝隙确定
• 2.8 小结
• 第3章 约束屈曲支撑构件的有限元分析
• 3.1 单元类型介绍
• 3.2 非线性理论
• 3.3 求解方法
• 3.4 约束屈曲支撑有限元分析
• 3.4.1 钢材本构模型的选取
• 3.4.2 支撑构件模型选取
• 3.4.3 加载方式
• 3.5 普通单钢管支撑
• 3.5.1 模型参数
• 3.5.2 单向加载
• 3.5.3 循环加载
• 3.6 无接触环的双钢管支撑
• 3.6.1 模型参数
• 3.6.2 单向加载
• 3.6.3 循环加载
• 3.6.4 双钢管支撑的缺陷
• 3.7 带接触环的双钢管支撑
• 3.7.1 模型参数
• 3.7.2 承载能力分析
• 3.7.3 结构恢复力特征
• 3.7.4 破坏类型
• 3.8 小结
• 第4章 带接触环双钢管约束屈曲支撑的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验概况
• 4.2.1 试验方法（拟静力试验）介绍
• 4.2.2 试件的模型设计
• 4.2.3 加载方式
• 4.2.4 试验装置
• 4.2.5 材料属性
• 4.2.6 数据采集和处理
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 单向加载试验
• 4.3.2 循环加载试验
• 4.4 试验结果与有限元分析的对比分析
• 4.4.1 承载能力对比分析
• 4.4.2 单向加载时荷载位移曲线对比分析
• 4.4.3 应力与变形的对比分析
• 4.4.4 滞回性能的对比分析
• 4.5 建议的恢复力模型
• 4.5.1 骨架曲线的确定
• 4.5.2 卸载刚度的确定
• 4.5.3 滞回环规则
• 4.6 小结
• 第5章 装有约束屈曲支撑的球面网壳结构减震分析
• 5.1 引言
• 5.2 装有约束屈曲支撑杆件的网壳结构减震思想
• 5.2.1 网壳结构的原始动力矩阵
• 5.2.2 网壳结构减震思想
• 5.2.3 求解方法
• 5.3 装有约束屈曲支撑的单层球面网壳减震分析
• 5.3.1 有限元模型参数
• 5.3.2 结构自振特性分析
• 5.3.3 X向水平地震响应分析
• 5.3.4 竖向地震作用对结构的影响
• 5.3.5 三向地震作用结构减震分析
• 5.3.6 三向地震作用下支撑杆件的滞回性能分析
• 5.4 小结
• 第6章 下部支承结构和网壳结构同时装有约束屈曲支撑时结构的减震分析
• 6.1 引言
• 6.2 非比例阻尼体系分析现有方法简述
• 6.2.1 比例阻尼体系与非比例阻尼体系
• 6.2.2 非比例阻尼分析方法
• 6.3 考虑下部结构时装有BRBs的单层组合网壳结构减震分析
• 6.3.1 单层组合网壳的模型建立
• 6.3.2 静力分析
• 6.3.3 结构在三向地震作用下结果分析
• 6.4 下部支承和组合网壳同时装有BRBs的结构减震分析
• 6.4.1 约束屈曲支撑的布置形式
• 6.4.2 结构在三向地震作用下结果分析
• 6.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读学位期间参与的科研项目