铰接钢框架自复位耗能支撑子结构抗震性能试验研究

为了研究安装自复位耗能装置的铰接钢框架支撑结构的抗震性能,设计制作了一榀1:2缩尺的两层单跨平面铰接钢框架自复位耗能支撑子结构.通过低周反复加载试验,对其屈服荷载、延性、耗能及复位性能等抗震性能进行了研究.结果表明,随着加载幅值的增大,子结构耗能和变形回复率均逐渐增大.该子结构的自复位耗能装置可充分发挥其耗能和自复位作用,其余各构件均处于弹性状态,加载结束后结构未发生破坏,间隙是引起加载初始阶段刚度偏小的主要原因.该子结构的效能比约为0.53,变形回复率在90％以上,具有较好的耗能能力、自复位性能、延性和抗侧移能力.     

3层K型偏心支撑半刚性钢框架拟静力试验研究

偏心支撑结构与传统框架结构相比较,既具有较好的抗侧刚度,又保留良好的结构延性.为研究设置偏心支撑的半刚性平面钢框架在低周往复荷载作用下的滞回性能和耗能特性,本文对一个设置了K型偏心支撑的3层半刚性平面钢框架进行拟静力试验,得到了此框架的破坏形式、侧向水平承载能力、延性系数和耗能能力等.试验结果表明:偏心支撑半刚性钢框架具有良好的变形耗能能力,抗震性能良好.本文研究为偏心支撑半刚接钢框架的抗震设计提供了一定的支撑,具有一定的工程应用价值.     

实时混合试验鲁棒时滞补偿方法的数值研究

为解决实时混合试验系统中时变时滞严重影响试验稳定性和精度的问题,以基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制方法设计反馈控制器,使试验系统具有稳定的动态特性;以多项式外插进一步消除时滞,并将其应用于线性Benchmark问题.为充分探讨所提方法性能,采用线性和非线性加载系统模型,开展了物理子结构为线性和非线性的虚拟实时混合试验研究.结果显示:作动器的实测位移均与期望位移几乎完全重合;与已有方法的对比显示,采用鲁棒时滞补偿的实时混合试验具有更小的误差;而对非线性物理子结构,试验系统的均方根误差和峰值误差均在0.6％～1.5％之间,且均方根误差大于10％和峰值误差大于6％的概率远小于0.05.研究结果表明,鲁棒时滞补偿方法可大幅提高实时混合试验的模拟精度,并具有较强的鲁棒性.     

回归法在实时混合模拟数值子结构不确定性分析中的应用

为了分析实时混合模拟试验数值子结构不确定性对试验的影响,采用多项式混沌展开建立不同时滞情况下数值子结构不确定参数与位移最大值的代替模型.多项式混沌展开的系数采用回归法计算,并基于模型误差对多项式混沌模型进行评价.模拟结果表明,时滞和不确定性参数均方差越大,位移最大值的均值和方差越大.当不确定性参数均方差为均值的0.05、0.10和0.20倍时,模型误差的变化范围分别为0.002%～0.02%、0.02%～0.4%和0.5%～5%,说明基于多项式混沌展开的实时混合模拟数值子结构不确定性分析精度受不确定性参数方差的影响.     

子结构拟动力试验边界条件模拟方法

针对框架结构体系研究了基于有限元软件OpenSEES的子结构拟动力试验方法.以单层单跨钢框架为例进行了3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验,其中严格边界条件下的试验结果与整体结构时程分析结果完全吻合,表明了该方法的正确性.在此基础上,针对单层、5层与8层3个四跨钢筋混凝土框架,采用杆系模型进行3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验.试验结果表明,仅考虑水平位移边界条件时对试验子结构柱的滞回曲线模拟误差较大,同时考虑水平位移与转角边界条件则能很好地模拟试验子结构柱的滞回曲线.各种简化边界条件对基底剪力影响较小,而对底层水平位移的影响则基本可以忽略.研究结果可以为子结构拟动力试验方案设计提供参考.     

子结构拟动力试验的模型修正法

分别针对剪切模型和杆系防屈曲支撑模型,采用有限元软件OpenSEES整体时程分析方法,研究了试验子结构数量对子结构拟动力试验结果的影响。结果表明:随着试验子结构数量的增多,试验结果精度逐渐提高,呈现出近似二次抛物线形变化规律。在构件数量较多结构体系中,试验子结构数量较少时,子结构拟动力试验的精度不高,试验的意义不大。针对一个单跨两层带斜撑框架模型,基于OpenSEES进行虚拟子结构拟动力试验,采用最小二乘法,利用试验子结构观测数据,在线识别试验子结构的恢复力模型参数,并实时修正与试验子结构有相同恢复力特性的数值子结构恢复力模型。不同试验工况下试验结果对比表明:即使试验子结构数量受到限制,在子结构拟动力试验过程中,基于最小二乘法模型修正方法可以显著提高子结构拟动力试验的精度。     

基于BP神经网络的离线迭代混合试验方法研究

利用反向传播(误差逆传播算法back propagation algorithm,BP简称反向传播算法)神经网络对非线性结构位移-力系统进行拟合,将训练好神经网络作为试验子结构与数值子结构联合求解,省去了混合试验中试验子结构与数值子结构之间的实时数据交互,并通过迭代训练样本的方法不断逼近真实响应,克服了神经网络需要大量训练样本的问题。通过对两个自由度的非线性结构进行混合试验数值仿真,验证了该方法的可行性。以实际工程的一榀框架为混合试验对象,取一个隔震垫作为试验子结构进行数值仿真,进一步验证了该方法的有效性。     

应用MTS-Schenk系统的实时子结构实验

针对实时子结构实验的实施和应用,介绍了实时子结构实验原理和由美国MTS公司的FlexTest GT控制系统和SCHENCK液压伺服作动器所构成的MTS-SCHENCK实验系统的应用.利用MTS-SCHENCK实验系统对一安装粘滞阻尼器的单层框架结构进行了实时子结构实验,实验中粘滞阻尼器为实验子结构,其余部分为数值子结构.在实验中采用三次外插方法补偿实验系统的时滞,实验与计算结果吻合很好.实验证明利用MTS-SCHENCK系统可以满足实时子结构实验对实验系统的要求,且实时子结构实验可以很好地反映速度相关型阻尼器的性能.     

带偏心支撑钢框架-混凝土核心筒结构抗震性能研究

在高层钢框架-混凝土核心筒结构的外钢框架部分加设多列式并连偏心支撑、多列帽腰连偏心支撑,采用结构分析与设计的通用有限元分析软件对未设支撑、设置偏心支撑、改变偏心支撑的位置和数量的高层钢框架-混凝土核心筒结构的地震反应特性进行了分析.利用振型分解反应谱法对该结构的自振周期、结构侧移、层间位移角、倾覆力矩比、各层总剪力、各层总弯矩、钢框架承担的剪力及剪力调整系数等指标进行了研究.根据分析结果提出了高层钢框架-混凝土核心筒结构抗震设计的偏心支撑分布方式和帽腰支撑设置的原则,为实际工程设计提供了理论参考.     

基于OpenSEES的复杂子结构拟动力试验方法研究

以OpenSEES为核心计算平台,针对框架结构体系取复杂子结构的拟动力试验方法开展研究。探讨了取局部结构体系为试验子结构时的边界条件模拟方法,解决了数值子结构因形成几何可变体系而无法在OpenSEES中求解的问题。通过一榀十二层五跨防屈曲支撑钢框架结构和一榀八层三跨钢筋混凝土框架结构取一层一跨和一层三跨结构体系为试验子结构的拟动力试验,验证了本文子结构拟动力试验方法的可行性与有效性。     

带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究

为提高弯曲型耗能梁塑性变形能力，提出一种带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构。采用数值模拟方法研究削弱起点a、削弱深度c及耗能梁加劲肋间距等关键设计参数对带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构抗震性能的影响，对比削弱模型与Base模型之间的承载能力、刚度及耗能能力等性能指标。结果表明，当削弱起点a取值在2h_f～3h_f之间、削弱深度c取值在2t_f～4t_f之间及加劲肋间距为0.7b_f左右时，削弱模型与Base模型各性能指标相差不大。带骨式削弱设计及加劲肋间距能够使耗能梁端部翼缘更大区域出现弯曲塑性变形，提升耗能能力，为后续进行弯曲型偏心支撑结构抗震性能研究提供参考。     

带可替换耗能连接偏心支撑钢框架单调加载的受力性能分析

带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架的框架梁由耗能连接和框架梁两部分构成,耗能连接具有震后替换方便、造价低等特点.采用Abaqus软件对10榀带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架进行数值模拟.模拟中对该偏心支撑钢框架施加单调荷载,分析不同参数下可替换耗能连接及整个框架的承载能力、变形能力等力学性能.分析结果表明:带可替换耗能连接的偏心支撑钢框架能够很好地将结构的塑性变形集中在此耗能连接上,因此带有这种耗能连接的偏心支撑钢框架具有较高的承载力、延性、初始刚度,并且应力和应变分布较均匀.     

剪切屈服型多耗能梁K形偏心支撑钢框架抗震性能研究

为了解决偏心支撑钢框架结构延性导致的地震作用取值偏大等问题,研究了剪切型多耗能梁偏心支撑结构的抗震性能。在试验模型的基础上,基于耗能梁腹板受剪面积基本不变的前提下,把耗能梁段的截面设计成多耗能梁模式,采用ABAQUS有限元软件建立了8个数值模型,分别进行单调加载和循环加载,分析了破坏模式、滞回曲线、承载力、刚度及耗能能力随耗能梁个数变化的情况。结果表明,耗能梁段塑性变形发展充分,有效保护了其他的非耗能构件;结构的承载力、屈服位移及耗能能力要好于单耗能梁模型;每个多耗能梁模型的初始刚度相差较小(4%以内),均小于单耗能梁模型,但多耗能梁模型能够延缓结构刚度的退化速率。所提模型能提高结构的抗震性能,对实际工程应用有一定的参考价值。     

SCFST柱框架-支撑结构恢复力模型

通过对SCFST柱框架-支撑结构进行拟静力性能研究发现,支撑、梁、柱依次发生破坏,结构破坏机制合理,滞回曲线呈梭形,无捏拢现象,耗能能力良好,骨架曲线的下降过程较为平缓,延性较好,结构在整体上表现出较好的抗震性能,有限元数值模拟与试验结果符合程度较高,验证了有限元模型的正确性。主要研究支撑两边柱的轴压比、单肢柱不同组合截面形式和框架-支撑结构中支撑钢管的刚度等因素,基于大量的有限元数值模型对其进行分析,得到了SCFST柱框架-支撑抗侧力结构的恢复力模型。运用回归分析方法建立结构的三折线骨架模型,明确了SCFST柱框架-支撑结构的滞回和退化规律,建立了此体系框架-支撑结构简化的滞回模型,并与试验结果进行对比分析,二者骨架曲线基本一致,滞回环形状均呈近似的平行四边形,吻合度较高。     

钢结构住宅体系抗震性能

从高层建筑物的钢结构的住宅结构体系的抗震性能的角度着手,建立钢框架、钢框架支撑和钢框架剪力墙的三维立体空间的有限元模型。通过有限元的软件对这3种钢框架模型进行8°的抗震设防下模拟,并分别对其进行模态分析与动力时程的研究分析,根据3种模型的动力时程的顶点位移与层和层之间的位移进行相关对比,指出对钢结构设置支撑和剪力墙,来完善高层的钢结构的住宅结构体系的抗震性能,从而提高建筑物的稳定性和抗震能力。     

屈曲约束支撑铰接钢框架结构体系抗震性能

基于利于结构安装和抗震修复以及屈曲约束支撑的特点,采用梁柱铰接钢框架承受竖向荷载、屈曲约束支撑抵抗水平荷载的结构体系,并推导了这种结构体系的楼层弹性和弹塑性抗侧刚度.采用双线性模型模拟屈曲约束支撑的滞回性能,采用时程分析方法分析了屈曲约束支撑铰接钢框架结构体系的抗震性能、弹性及弹塑性地震反应特征.结果表明:多遇地震下,结构楼层位移反应基本呈线性关系,层间位移角分布比较均匀;罕遇地震下会出现薄弱层现象,但各层支撑都会屈服耗能.除底层以外,楼层剪力主要由支撑承担,而底层框架柱承担的楼层剪力比例会增大;框架梁和柱在各级地震下都处于弹性状态;屈曲约束支撑铰接钢框架结构体系具有较好的抗震性能.     

结构电磁TMD控制振动台模型试验的数值模拟

通过运用有限单元法的静力凝聚法，对钢结构模型振动台试验进行了模拟计算，建立了简化分析模型，在此基础上，进一步讨论了装有高频电磁耗能TMD装置后钢结构模型和减震分析模型的变化与形成方法，通过结构自振频率和动力响应的分析对比表明：计算结果与试验实测结果相符合，说明建议的简化分析模型和计算方法是可靠的。     

竖向桁架式高层建筑结构时程分析系统NLA及其应用

介绍了自行研制的“竖向桁架式高层建筑结构时程分析系统”NLA,并用该系统对一个10层框架结构作了带斜杆和不带斜杆两种情况下的对比分析,分析结果表明,竖向桁架式高层建筑结构具有良好的抗震性能。     

储液罐子结构数值仿真分析

由于有限元仿真需要假设材料性能,难以真实全面的反映储液罐的地震响应;而振动台试验只能完成较小比例的模型试验,与储罐原型差距很大。为此,提出了储液罐子结构振动台试验方法。采用Malhotra力学模型,将储液罐划分为试验子结构(罐底和土体)和数值子结构(储罐和液体)两部分。试验子结构放在地震模拟振动台上进行试验研究,数值子结构部分由计算机进行模拟。仿真计算表明:储液罐子结构仿真结果与全结构的非常吻合,仿真计算的储罐基底剪力与规范算法接近。     

675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定

为研究675高强装甲钢在受到弹丸冲击后的动态响应问题,需要确定一套适用于侵彻仿真计算的675装甲钢的材料模型. 通过开展675装甲钢的动静态力学性能试验和材料断裂实验,并且根据实验结果对675装甲钢材料的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数进行了拟合. 同时,根据弹道试验建立了仿真侵彻模型,将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:通过材料性能实验得到的675装甲钢的Johnson-Cook本构和失效模型应用于弹靶侵彻的数值仿真时,得到的仿真结果与弹道试验结果的平均误差为6.5%,最大误差不超过10%,拟合得到的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数的可靠性较高,对675装甲钢在冲击载荷下的仿真计算具有重要意义.