SMA支撑钢框架结构抗倒塌性能研究

According to the problems of structural damage and collapse caused by underlying device failure in energy dissipation structures under extremely rare earthquake or mainshock-aftershock sequence, energy dissipation device failure has been put forward taking into account in structural design procedure, furthermore, self-centering property of SMA material has been utilized to reduce structural residual drift in mainshock so that the structure seismic collapse performance during the aftershock can be improved. The general objectives of this proposal are to reveal the mechanical properties and failure modes of the novel SMA-based brace, investigate the structure seismic performance after brace failure during the earthquake, propose the methods of seismic collapse assessment and structure design for SMA braced steel frame structure. The main research contents are concluded as follows: (1) The configuration, mechanical property and mechanical model with failure consideration of novel SMA brace; (2) Seismic performance, energy dissipation mechanism and collapse modes of SMA braced steel frame structure; (3) Structure seismic collapse performance under the mainshock aftershock sequence; (4) Seismic collapse performance assessment methods of SMA braced steel frame structures; and (5) Anti-collapse based structure design method with incorporation of brace failure. The research work developed in this proposal will further perfect the performance-based design system of energy dissipation structure, which has a significant influence on the improvement of structure seismic performance and the prevention of enormous casualties and economic losses caused by extremely rare earthquake. It is anticipated that application of these research achievements can gain remarkable scientific and engineering significance.

针对消能减震结构在极罕遇地震或主余震序列地震作用下存在减震装置可能失效导致结构破坏或倒塌的问题，提出了在结构设计中考虑消能减震装置失效对结构的影响，并利用SMA自复位性能减小结构主震残余变形，提高结构在余震作用下抗倒塌性能。本项目以揭示新型SMA支撑的力学性能与失效模式，研究支撑失效后结构抗震性能，提出SMA支撑钢框架结构倒塌评估方法与设计方法为总目标，主要内容包括：（1）新型SMA支撑构造、力学性能与失效力学模型；（2）SMA支撑钢框架结构抗震性能、减震机理及破坏机制；（3）主余震序列地震作用下结构抗倒塌性能；（4）SMA支撑框架结构倒塌评估方法；（5）基于抗倒塌为性能目标考虑支撑失效的结构设计方法。本项目的研究进一步完善了消能减震结构基于性能的设计体系，对提升建筑物抗震性能，预防大地震造成巨大人员伤亡和经济损失起到重要作用，具有重要的科学意义和工程意义。

针对现有基于SMA丝材的消能减震装置存在承载力较小、冗余度较低、造价昂贵等问题，本项目提出了一种新型SMA支撑构件。利用新型SMA支撑良好的耗能能力和优越的自复位性能降低结构在极罕遇地震或主余震序列地震作用下的结构响应，提高结构抗震、抗倒塌性能，同时在结构分析中合理考虑了SMA支撑失效对结构的影响。主要研究内容与结论如下：（1）提出了两种可行的SMA线缆端部锚固连接方案，通过试验研究验证了两种锚固方案的可行性，结果表明：采用套头端部锚固方案SMA线缆试件初始损伤较小、极限承载力更强、极限应变更大、残余变形更小；（2）在不同环境温度下对SMA线缆进行了循环往复拉伸试验，结果表明：在环境温度为0℃和60℃之间，SMA线缆表现出典型旗形滞回特性和良好的疲劳性能；环境温度越高，平台应力越大，疲劳性能越差。（3）基于SMA线缆提出了一种构造简单、工作机理明确的新型SMA支撑，试验研究结果表明：新型SMA支撑力学性能稳定，具有较好的滞回耗能能力和优越的自复位性能；新型SMA支撑具有频率相关性较低、抗疲劳性能好的特点，极限变形能力达到50mm。（4）提出了一种考虑SMA支撑失效的新型三单元力学模型，推导了力学模型的计算公式，试验与模拟结果对比表明：新型三单元力学模型能够很好的拟合SMA支撑的试验滞回曲线，试验与拟合滞回曲线结果各力学性能指标最大仅相差0.84%。（5）通过振动台试验和OpenSees有限元分析，研究了不同地震动参数和SMA支撑设计参数对钢框架结构抗震性能的影响，结果表明：较大支撑初始刚度系数时若极限变形能力不足，一旦SMA支撑失效容易形成薄弱层；相比支撑初始刚度，提高SMA支撑极限变形能力更有助于提高结构整体的抗震抗倒塌性能。（6）对概率地震参数需求模型进行了改进，提出了考虑支撑失效的SMA支撑钢框架结构在主震和主余震作用下基于概率地震性能评估方法，结果表明：改进的概率地震参数需求模型标准差更小、拟合优度更佳；SMA支撑失效作为自复位结构体系主震损伤指标使得主余震作用下结构抗倒塌性能评估结果更准确。研究成果不仅具有重要的学术价值，而且对新建和既有的自复位结构进行全面的抗倒塌性能评估也具有重要的参考意义，既可以提高自复位装置以及主体结构的安全性，又能避免或减轻未来地震中自复位结构的震害与震后经济损失，具有显著的经济与社会效益。