自复位球型钢支座减震耗能构件的试验研究及数值模拟

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具有自复位能力和耗能功能的减震支座具有广阔的发展前景和极大的工程应用价值。本课题组在万向减震球型钢支座的基础上对其弹簧减振元件进行耗能设计,提出了一种新型的减震耗能球型钢支座。这种减震耗能支座的创新之处在于将屈服点较低的耗能钢板隔层置于其原有的弹簧减振元件中,借助耗能钢板的塑性耗能能力和弹簧钢板的弹性复位能力,实现支座在小震和大风荷载作用下的弹性复位功能和在大震作用下的耗能功能。本文即以这种支座的减震耗能构件为研究对象,采用试验研究和数值分析相结合的方法,对支座减震耗能构件的滞回性能进行了分析,为这种新型支座减震耗能构件的理论完善和进一步设计优化提供了可靠依据。本文所做的主要内容归纳如下:(1)详细说明了支座减震耗能构件的基本构造和工作原理,并对两种构造形式的支座减震耗能构件进行了拟静力试验和滞回性能分析,结果表明这种构件具备一定的耗能能力,验证了构件设计理论的正确性。(2)对支座减震耗能构件中的耗能钢板进行了力学性能试验,主要分析了Q295钢在循环荷载作用下的力学特性;采用随动强化模型和混合强化模型对Q295钢的材料参数进行了标定,分别采用标定的本构模型参数对Q295钢试件进行有限元模拟并与力学性能试验结果对比,结果表明标定的混合强化模型参数可以准确的模拟出Q295钢板在循环荷载作用下的力学特性,为支座减震耗能构件的有限元建模提供了依据。(3)对拟静力试验中的两组支座减震耗能构件进行数值模拟,模拟结果和试验结果能够较好的对应;数值分析结果表明,支座减震耗能构件在循环单向荷载作用下耗能钢板容易进入塑性耗能状态;弹簧钢板在加载到工作允许最大位移情况下仍能保持弹性状态,构件整体受力均匀,工作性能稳定。(4)结合数值模拟成果,进一步对支座减震耗能构件进行参数分析。采用正交试验设计方法,对两层弹簧钢板搭配一层耗能钢板的减震耗能构件完成了25组单向循环加载数值模拟,得到了构件工作性能(承载能力、耗能能力及复位能力)与耗能钢板材料、耗能钢板厚度、弹簧钢板厚度、钢板宽度和起弧高度之间的关系。为支座减震耗能构件的进一步优化提供了依据。(5)利用SAP2000软件,将本文研究的减震耗能支座应用到网架结构中,并建立用于对比分析的非减震网架结构和使用弹性支座的网架结构,通过自振特性对比、反应谱分析对比和8度常遇地震动力时程分析对比,得到了该支座可以有效降低结构地震响应的结论。
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