消能柱-交错桁架钢框架结构抗震性能有限元分析

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交错桁架钢框架结构体系具有重量轻、内部空间大和用钢量少等优点,是一种很适合用于装配式建筑的结构体系。为提升交错桁架结构的抗震性能,并在一定程度上避免结构体系出现薄弱层破坏,本文将交错桁架结构的柱采用通过柱肢间消能连杆耗能的双肢消能柱,形成消能柱-交错桁架结构,然后对该结构的抗震性能进行有限元分析。主要研究内容和成果如下:(1)分别建立有限元模型验证消能柱以及三节间桁架单元的试验结果,有限元分析结果与试验结果吻合较好。然后对比分析未经塑性设计的普通桁架、延性桁架以及设置有消能柱的桁架结构抗震性能。并研究空腹节间数量、空腹节间宽高比以及消能柱高宽比对消能柱-桁架结构性能的影响,提出设计建议。(2)为实现消能柱中消能连杆先于桁架弦杆屈服耗能的预期破坏模式,本文结合消能柱以及延性交错桁架结构的计算公式,通过理论推导,提出了消能柱-交错桁架结构中消能柱的设计方法以及设计流程图,并给出了哑铃型消能连杆的简化计算公式,使其可以在设计软件中建模计算,校核结构体系的受力情况。(3)建立有限元模型验证交错桁架结构体系建模方法,然后设计了2个8层交错桁架结构模型,即未经塑性设计的交错桁架试件和延性交错桁架试件,并和加入消能柱后的结构进行了对比分析。采用有限元软件ABAQUS依次进行振型分解反应谱分析、静力弹塑性分析以及动力时程分析,研究四个试件的抗震性能。静力弹塑性分析结果表明,消能柱-交错桁架结构实现了预期的破坏模式:小震作用下,消能柱-交错桁架结构整体保持弹性;大震作用下,消能柱中消能连杆先进入屈服耗散地震能量,桁架内部允许杆件屈服形成塑性铰,进一步耗散能量。罕遇地震作用下的时程分析表明,未经塑性设计的交错桁架试件在各个地震波作用下的楼层位移分布较为不均匀,底部易出现薄弱层;延性交错桁架试件沿楼层分布相对均匀,没有明显的薄弱层出现,但是延性交错桁架试件表现出了明显的相邻层间刚度差异,横向桁架数量较多的楼层刚度较大,层间位移较小;消能柱-交错桁架试件楼层位移分布更加均匀,消能柱明显改善了交错桁架结构层间变形集中问题,设置了消能柱的延性交错桁架性能最优。
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