模块化钢框架隔震结构的抗震性能分析与试验研究

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中国大多数地区均处于高烈度地区,广泛推广模块化钢框架结构,提升其抗震性能,将是亟待解决的主要问题。为推广模块化钢框架结构的应用,考虑将隔震技术应用到模块化钢框架结构中,隔离传向上部结构的地震作用,使结构的变形主要集中在隔震层,有效控制结构内力和主体变形。模块化钢框架结构的结构特点导致其节点受力远比传统钢框架结构的复杂,应用隔震技术之后,可降低对模块单元连接节点的抗震要求,达到降低上部结构节点刚度要求的效果,具有深远意义。本文针对一种螺栓连接的模块化钢框架结构进行研究,主要研究内容如下:(1)模块化钢框架结构的组装特征,使得在模块单元之间有间距,形成连接层。水平和竖向连接层之间连接形式的不同组合,对结构抗震性能的影响规律不同。以某拟建项目为工程背景,通过SAP2000有限元软件建立了模块化钢框架结构的模型,选取两条实际地震动和一条人工地震动,对比研究连接层节点刚接、铰接的连接形式的不同组合对模块化钢框架隔震与抗震结构抗震性能的影响。结果表明,竖向连接节点的刚度对结构整体刚度的影响较小,水平连接节点的刚度对结构整体刚度的影响较大。在模块化钢框架结构中应用隔震技术后,节点刚度对结构的影响程度降低,可适当降低上部结构节点的刚度要求。(2)模块化钢框架结构连接节点处多梁多柱的结构形式与传统钢框架结构有很大的不同,将模块化结构通过周期等效和刚度等效的方法等效为传统钢框架结构,对比研究模块化钢框架结构与传统框架结构的区别和性能分析。模块化结构在各连接层处构件内力、层间位移角发生突变,而传统钢框架结构各层响应无突变情况。在模块化钢框架结构中应用隔震技术之后,连接层处与其余各楼层处的突变差值变小,隔震层上部的结构整体性增大。(3)模块化钢框架隔震与抗震结构的振动台试验研究:考虑模块化钢框架结构连接节点的特殊性,并为保证试验模型的准确性,对模块化钢框架隔震与抗震结构进行足尺模型振动台试验研究,研究两种结构在不同水准地震作用下的结构整体的抗震性能,对试验数据进行整理分析,检验结构能否满足不同水准地震作用下的性能要求。将连接节点的螺栓减半,对比研究改变节点刚度对模块化钢框架隔震结构抗震性能的影响。试验结果表明隔震减小了上部结构的动力响应。螺栓减半(节点刚度降低)后,模块化钢框架隔震结构的地震响应与螺栓上满基本一致,且略小与螺栓上满的响应。(4)分别建立模块化钢框架隔震与抗震结构的节点刚接、铰接的有限元模型,对比振动台试验与有限元计算结果,验证有限元模型的有效性。结果表明,对于抗震结构,结构竖向连接节点铰接形式与试验结果较为接近。而对于隔震结构,结构竖向连接节点的刚、铰接形式对结构整体的抗震性能影响不大。
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