偏心支撑半刚性连接钢框架抗震性能与设计方法研究

According to cooperative work principles among eccentric bracing and steel frame by semi-rigid connection and mechanical behavior of eccentric bracing steel frame by semi-rigid connection, second-order elastic-plastic analytical method can be established based on mechanical performance. Experimental study will be done on mechanical behavior of semi-rigid connection steel frame via eccentric bracing under low cyclic loading or seismic loading in which model test method and numerical simulation method are applied. And their failure mode, ultimate bearing capacity, occurring of plastic hinges and rigidity decay law will be analyzed under low cyclic loading or seismic action. Also the yield form of link beam, stress distribution and hysteretic behavior will be dealt with. Furthermore, rigidity effects of beam-column connection and eccentric bracing on the bearing capacity and hysteretic behavior of this kind of structure system will be discussed, and then the cooperative work principles among eccentric braces and steel frame by semi-rigid connection, the failure mechanism of eccentric bracing steel frame by semi-rigid connection will be discovered. Consequently, concerned laws will be clarified including dynamic response and aseismic performance of eccentric bracing steel frame by semi-rigid connection under earthquake action, initial lateral stiffness varying subjected to multi-earthquake action, and horizontal yield interlaminar bearing capacity. Finally the design method of semi-rigid connection steel frame by eccentric bracing can be obtained, which may provide valuable theoretical references and test data for revision of current Chinese design code for the steel structures.

针对半刚性连接钢框架与偏心支撑协同工作规律和受力性能，建立偏心支撑半刚性连接钢框架基于性能的二阶弹塑性分析方法；通过模型试验和数值模拟两种方法，对偏心支撑半刚性连接钢框架在低周反复荷载和地震作用下受力性能进行试验研究，分析其在低周反复荷载以及地震作用下的结构体系的破坏形态、极限承载力、塑性铰出现规律以及刚度退化规律；分析耗能梁段的屈服方式、内力分布及滞回特性；揭示梁柱连接刚度变化以及支撑刚度变化对此类结构体系承载能力和耗能特性的影响，得到半刚性连接钢框架与偏心支撑协同工作规律以及钢框架破坏机理；阐明偏心支撑半刚性连接钢框架在地震作用下的动力反应以及经受多次地震后初始侧向刚度的变化规律、结构的屈服层间水平承载力变化规律等；确定偏心支撑半刚性连接钢框架的设计方法，从而完善与发展偏心支撑半刚性连接钢框架的设计与应用，为我国钢结构设计规范提供具有参考价值的理论依据和试验资料。

偏心支撑钢框架结构体系是地震易发区一种最优的抗震结构方案，兼有中心支撑框架强度高、刚度高和纯框架耗能能力强的优点。目前，在偏心支撑钢框架的设计标准中（如AISC2005、CSA2009、NZS3404、GB50011-2010），各构件均采用焊接方式连接在一起。一方面,该连接方式不适用于工厂预制、现场拼装的装配式建筑。另一方面，耗能梁被设计为在地震作用下通过明显的塑性变形消耗地震能量，结构可能需要在震后进行修复和构件更换，而螺栓连接方式使得修复简单快捷。.为了克服半刚性连接框架过柔和焊接偏心支撑框架震后修复困难、花费昂贵、耗时长的缺点。本项目提出将偏心支撑钢框架各构件均通过螺栓连接，减少施工现场焊接施工，降低震后修复花费。基于上述理念，设计了8个采用高强螺栓连接的偏心支撑钢框架。为了便于对比分析，设计了2个焊接连接的偏心支撑钢框架。研究了这些框架模型在拟静力往复循环荷载作用下的滞回性能、极限弯矩承载力、极限剪切承载力、破坏模式及各种影响受力性能的因素；再对1个带剪切型可替换耗能梁偏心支撑框架试件进行了拟动力试验研究，研究设防地震作用下，结构的位移响应、荷载响应和滞回性能。与焊接连接方式相比，高强螺栓端板连接试件的侧移角提高72.31%，等效粘滞阻尼系数提高25.5%，耗能梁极限弹塑性转角提高70.8%，但极限剪切承载力降低16.46%。最后建立了18个有限元非线性模型进行分析计算，验证有限元分析的合理性和可靠性，并对不同耗能梁段长度、不同轴压比和不同连接刚度模型进行仿真分析，得到了各构件的屈服顺序、螺栓预紧力的变化、耗能梁段的破坏形态、框架的荷载-位移滞回曲线，研究偏心支撑半刚接钢框架的耗能特性。结合试验与数值模拟分析结果，建立了考虑几何非线性和剪切变形、残余应力、初始缺陷以及半刚性连接等因素影响的偏心支撑半刚接钢框架的弹塑性分析模型。研究了耗能梁长度、轴压比和连接刚度等不同因素对偏心支撑半刚接钢框架抗震性能的影响，建立了基于直接位移法的偏心支撑钢框架的设计方法。