一种新型屈曲约束支撑的研制与试验研究结构稳定性分析课程论文.docx

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一种新型屈曲约束支撑的研制与试验研究结构稳定性分析课程论文

SHANGHAIUNIVERSITY

结构稳定性分析课程论文

UNDERGRADUATEPROJECT（THESIS）

题目:

一种新型屈曲约束支撑的研制与试验研究

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

上海大学2015～2016学年冬季学期研究生课程考试

小论文

课程名称：

结构稳定性分析课程编号：

论文题目:

一种新型屈曲约束支撑的研制与试验研究

研究生姓名:

芮正青学号:

15722950

论文评语:

成绩:

任课教师:

评阅日期:

目录

一、前言5

二、新型屈曲约束的研制7

三、试验设计9

四、试验过程与现象11

五、试验滞回曲线14

六、试验结果与分析15

七、结论23

八、建议24

参考文献24

一种新型屈曲约束支撑的研制与试验研究

[摘要]

屈曲约束支撑是一种利用金属屈服滞回耗能的装置，具有性能稳定、制作方便、成本低廉等优点。

常规屈曲约束支撑的芯材和无粘结材料往往采用特殊材料制成,加工制作成本较高,不利于工程推广使用。

为了避免常规屈曲约束支撑存在的上述缺陷,自主研制开发了一种带有缝隙和防滑凸起的新型屈曲约束支撑。

对这种新型屈曲约束支撑试件进行了包括标准加载和循环加载在内的静力往复试验，试验表明:

该屈曲约束支撑在标准加载试验中得到的弹性刚度、塑性刚度、屈服位移以及屈服荷载等力学指标与理论值吻合较好；在循环加载试验中得到的等效刚度、耗能面积以及零位移最大力和零位移最小力等耗能指标非常稳定,满足工程技术的要求。

结果表明,此种屈曲约束支撑具有很好的滞回特征和耗能性能,是一种十分有效的耗能构件,可以大大提高建筑结构的抗震性能。

[关键词]屈曲约束支撑;低周反复试验;滞回性能

Inventionandexperimentalstudyonanewtypeofbuckling-restrainedbrace

[Abstract]Abuckling-restrainedbrace（BRB）isanenergydissipationdevicemakinguseofmetalyieldinganditsadvantagesincludethestableenergydispersioncapacity，easyconstructionandlow-costfabrication，etc．ThesteelcoreandunbondedagentmaterialoftheexistingBRBareusuallymadeofspecialmaterial.ItmakesthepromotionoftheBRBbecomehard.InordertoavoidthedisadvantagesoftheexistingBRB,anewtypeofBRBwithgapandprotuberancewasinvented.SixBRBspecimensweretestedwithcyclicloadinghistoryincludingstandardloadinghistoryandlow一cyclefatigueloadinghistory.ThetestresultsindicatethatthemeasuredmechanicspropertiesindexesofBRBincludingelasticstiffness,secondarystiffnessagreewellwiththeoreticalresultsandtheenergydissipationbehaviorofBRBisstable.ThisnewtypeofBRBcanmeettherequirementofexistingnormsandreachthestandardofapplication.Theexperimentalresultshowsthatthebuckling-restrainedbracehasbetterhystereticcharacteristicandabilityofseismicresistance,whichisaneffectivememberforenergydissipation.Asaresult,theabilityforseismicresistanceofstructureimprovesgreatly.

[Keywords]buckling-restrainedbrace（BRB）;low-reversedcyclicloadingtest;hystereticbehavior

1、前言

屈曲约束支撑（buckling一restrainedbrace简称BRB）是一种在受压时不会发生屈曲失稳的支撑,与传统中心支撑相比,具有更稳定的力学性能[1]经过适当的设计,含有BRB的框架不但可以增加整体刚度，提高结构延性,而且由于其受压时不会屈曲的特性可以充分发挥钢材的滞回消能能力,在工程抗震领域具有重要的应用价值。

图1BRB的构成

BRB最早起源于美国[2],20世纪70一90年代发展成熟于日本,之后推广使用于日本，美国及我国台湾地区[3][4]。

屈曲约束支撑一般由以下三个基本部分组成:

轴力构件单元（支撑）,屈曲约束单元,连接单元和隔离单元。

轴力构件单元用来承受轴向荷载;屈曲约束单元环包在它的周围以防止轴力单元的屈曲;连接单元在轴力构件单元的二端并且伸出屈曲约束单元,用来连接屈曲约束支撑和框架结构;隔离单元用以分离轴力构件和屈曲约束单元,一般是用脱粘接的材料。

在某些类型的屈曲约束支撑中,则在轴力构件和屈曲约束单元之间应该保留一定的空隙,以避免二者之间的相互作用。

屈曲约束支撑一般由三部分构成:

①承受轴力的核心耗能部分；②有侧向约束作用的钢管；③减小摩擦力的无黏结脱层材料。

BRB的内芯按照其力学性能,沿长度方向可以分为屈服段（yieldingportion）、过渡段（transitionportion）和连接段（connectionportion）[5]。

屈服段包裹在约束材料中,在轴向荷载作用下发挥出滞回性能；过渡段位于屈服段和连接段的中间,用于过渡两者间的刚度；连接段位于BRB内芯的最端头,用于与框架相连。

现记三段的长度分别为Lyi,Ltr和Lcon,其内芯的横截面面积分别为Ayi,Atr和Acon,屈服段、过渡段和连接段的相对关系如图2所示。

图2　核心单元划分示意图

图3采用防屈曲支撑体系的钢结构

常规BRB（图3）的芯材多采用特殊钢材制成,这往往增加了支撑成本与加工制造难度；且BRB的无粘结材料既要消除芯材与填充材料之间的摩擦力,又要提供足够的空间容许芯材受压膨胀,这往往造成了BRB对无粘结材料的过度依赖。

针对上述缺陷,自主研制开发了一种新型BRB,并通过低周反复试验来检验该BRB的力学性能。

2、新型屈曲约束支撑的研制

常规BRB自身存在着某些缺陷在很大程度上也限制了BRB在我国的推广，这些缺陷主要有:

（l）核心钢支撑需要由特定强度钢板构成,材料选择范围受限制,加工制造的难度大,成本高,不利于在工程中推广使用；

（2）脱粘结材料既要保证核心钢支撑的轴向自由滑动,又要使核心钢支撑横向膨胀不受约束。

因此,需采用特殊的化学材料,并严格控制其厚度，这往往增加构件的制造难度和成本,同时造成了BRB对脱粘结材料的过度依赖。

在前期对BRB相关研究的基础上[6,7],研制出了一种具有自主知识产权的新BRB[8],如图4所示。

BRB芯材的屈服段、过渡段、连接段尺寸如图4（a）所示,其截面尺寸如图4（b）及表1所示,其中bcore,tcore,Acore分别为核心单元的长度、厚度及截面面积。

（a）正视图

（b）截面图

图4　BRB试件示意图

表1BRB试件尺寸

这种基于普通钢材加工而成的BRB,除了包括核心单元、约束单元和无粘结材料之外,在核心单元和约束单元之间还设有缝隙间隔单元。

BRB的核心单元为主要受力单元,采用普通的Q235B钢板构成,为一字形截面；为了防止竖向放置BRB时,在自重荷载作用下约束单元与核心单元发生相对滑动,在屈服段的中部每边设置一个防滑凸起；BRB的约束单元由方钢管和填充材料构成,方钢管采用Q235B钢材制成,填充材料为普通混凝土材料；在核心单元表面上包裹有无粘结材料用来减小核心单元与约束单元之间的摩擦；缝隙间隔单元填有可压缩材料,该单元位于核心单元表面的无粘结材料与混凝土填充材料之间,其作用是使核心单元与约束单元隔离,减小或消除核心单元与约束单元之间的摩擦,同时满足核心单元受压时横向膨胀的需求。

这种BRB与常规BRB相比,其主要的特点有:

（l）核心单元采用普通Q235钢材,取材简便,避免了采用特定强度标号钢板所造成材料选择的限制；

（2）在核心单元和填充材料之间设置有缝隙,缝隙处用脱粘结材料填充,可有效地解决核心单元受压时横向膨胀受限的问题,即保证了支撑构件具有传统BRB的力学性能特征,又解决了常规BRB对脱粘结材料过度依赖的缺陷；

（3）在核心单元的中部位置设置有防滑凸起,可以有效保证在浇筑填充材料时外约束筒与核心单元之间不产生偏移。

3、试验设计

3.1试验设备

BRB静力往复试验是在中国建筑科学研究院结构试验室进行的,加载设备为该试验室的电液伺服结构试验作动器,图4为新型BRB力学性能试验试件安装照片,BRB两端通过夹头与作动器相连。

试验中,沿BRB轴向方向布置了位移传感器来直接测量试验中BRB轴向变形,图4（b）为位移传感器的布置示意图。

图5　试验加载设备及测量仪器布置图

3.2加载制度

BRB静力往复试验包括标准加载试验和疲劳加载试验,考虑我国《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）[9]关于消能减震设备的试验要求,同时,参照SEAOC一AISC合作小组的《关于屈曲约束支撑框架的规定》[5],确定了相应的加载制度（图5及表2）。

本次试验共进行了6个试件的轴向拉压试验,各试件的编号及相应的试验工况见表3。

表2BRB力学性能试验试件明细表

图6　试验加载制度

表3标准加载制度

注:

1）层间位移角的计算假定BRB在框架中呈45°布置；2）Dy为BRB屈服位移；3）Dm为BRB设计层间位移。

4、试验过程与现象

4.1标准加载试验

标准加载试验各试件的试验情况见表4。

试验中,试件零和一采用平行的加载方式,即芯材屈服段一字形截面与作动器夹头所在平面位于同一平面内。

试验中发现采用平行加载方式的试件平面外刚度较小,抵抗平面外变形能力较差,其中试件0KN在2kN左右荷载下就发生了平面外失稳破坏,破坏形式见图6（a）（b）；试件1虽然在标准加载时未发生严重破坏,但是在循环加载14圈时发生平面外失稳破坏见图6（c）。

故试件2～5改为采用垂直的加载方式,即芯材屈服段一字形截面与作动器夹头所在平面垂直。

试验证明,采用这种加载方式的试件均未发生平面外破坏,试验中芯材发生相对位移见图6（d）。

表4标准加载试验概况

图7　标准加载的试验现象

4.2循环加载试验

根据《建筑抗震设计规范》（GB500ll一2001）[9]第12.3.6条第3款的规定,“在最大应允许位移幅值下,按应允许的往复周期循环60圈后,消能器的主要性能衰减量不应超过10%、且不应有明显的低周疲劳现象”[9]。

因此,为了进一步考察BRB作为阻尼器使用时其性能的稳定性,在标准加载试验之后,分别对试件一和试件四进行了循环加载试验（表5）,位移幅值Dm设定为14mm。

试件一和试件四均未达到60圈循环的加载要求,都提前出现了破坏。

试件一在经历最大变形达21mm的标准加载历程后,在14mm位移幅值下经往复周期循环15圈后,发生类似试件零的端部受压失稳破坏（图7a）。

试件四在经历最大变形达14mm的标准加载历程后,在14mm位移幅值下经往复周期循环40圈后,核心单元受拉破坏（图7b）。

设计和制作完全相同的两个试件之所以会出现两种不同的破坏状态,根据对试验过程和BRB力学机理的分析,认为是如下原因造成的:

（l）加载方式对破坏状态的影响明显。

试件一采用平行加载方式进行加载,核心单元处于交替的偏心拉压受力状态,随着作动器位移的不断加大,构件二阶效应不断增加,核心单元进入大偏心受力状态,此时,在往复荷载的不断作用下,在试件的薄弱部位便会出现损伤积累,使试件很快就达到破坏状态；试件四采用垂直加载方式,轴向荷载的作用点始终位于核心单元主平面内，而且基本上在一字形钢板的有效宽度范围内,核心单元基本上处于小偏心受力状态,因此,相较于试件一而言,试件四的疲劳寿命要长的多,而且最终的破坏状态也不一样；

（2）加载历史对构件的疲劳寿命影响较大。

试件一与试件四相比,在进行循环加载试验之前,多进行了2圈位移幅值达1.5Dm（即21mm）的标准加载试验,因此,试件一的疲劳寿命明显小于试件四,除了加载方式的影响外,既往加载历史也是其中的一个重要原因；

（3）加载速率对构件疲劳寿命有影响,但影响有限。

由表5可以看出,试件四的加载速率要远大于试件一,考虑到试件采用的钢材基本上属于加载速率无关材料,因此,加载速率对试验结果的影响十分有限。

此外,根据此次试验的情况,认为对于类似于BRB这样的主要依靠材料弹塑性变形进行耗能的构件,是否有必要完全按照现行《建筑抗震设计规范》的“60圈”要求进行检验,值得商榷。

表5循环加载概况

图8　循环加载的破坏形态

5、试验滞回曲线

图8为BRB试件1～4标准加载试验的滞回曲线,图9为试件1,4的循环加载试验的滞回曲线。

从图中可见,无论是在标准加载还是循环加载下,BRB的滞回曲线饱满,具有稳定的耗能能力。

（a）试件1（b）试件2

（c）试件3（d）试件4

图9　BRB试件标准加载试验滞回曲线

（a）试件1（b）试件2

图10　BRB试件循环加载试验滞回曲线

6、试验结果与分析

BRB的恢复力模型符合双线型模型的特征,因此,其主要的力学性能指标包括弹性刚度、塑性刚度从以及屈服荷载。

6.1弹性刚度

BRB的内芯按照其力学性能沿长度方向可以分为屈服段、过渡段和连接段,屈服段包裹在约束材料中,在轴向荷载作用下发挥出滞回性能；过渡段位于屈服段和连接段的中间,起到两者间刚度过渡的作用；连接段位于BRB内芯的最端头,用来将BRB于框架相连。

现分别记三段的长度为Lyi、Ltr和Lcon,其内芯的截面面积为Ayi、Atr和Acon。

BRB整体刚度来源于屈服段、过渡段和连接段三部分共同的刚度贡献,将BRB等效成刚度串联模型[10]，可以把BRB整体弹性刚度用以下形式来表示:

（1）

式中:

K1c为BRB的整体弹性刚度的理论计算值；Kyi为屈服段的弹性刚度,Kyi=EAyi/Lyi；Ktr为过渡段的弹性刚度,Ktr=EAtr/Ltr；Kcon为连接段的弹性刚度,Kcon=EAcon/Lcon。

将各部分刚度的表达式带入式

（1）中可以得到:

（2）

再将BRB各部分的数值带入式

（2）,可计算出BRB整体弹性刚度的理论值Kc1=76.3kN/mm。

根据试验中位移计和作动器记录的数据,利用下式可得到弹性刚度的试验值K1e:

（3）

式中:

D1为BRB试件的轴向变形;F1为作用在BRB两端的轴力。

将试验数据导入式（3）,采用最小二乘法可得到弹性刚度试验值（图10）,并与理论计算结果汇总于表6中。

可以看出,试件1弹性刚度试验值出现异常,判断其原因是由于试件1采用平行加载方式,安装的初始误差使得BRB试件受压时除了核心单元的微幅高阶屈曲外,试件本身的二阶效应也非常显著,从而给试验结果造成了很大影响。

表6弹性刚度理论值和试验值的比较

注:

计算平均值时,剔除了数据异常的试件1的计算结果。

BRB试件弹性刚度理论值与试验值的汇总比较,从中可以看出:

（l）各试件弹性刚度的试验值,不论是受压状态下、受拉状态下,还是综合考虑拉压状态的结果,与理论值相比基本上都偏小。

这主要是因为计算弹性刚度理论值时Lu的取值,与各试件试验时位移传感器的实际测量区域Lu测,在数值上存在一定误差,基本上偏小,而且各试件相互之间的Lu,,也