新型自复位延性剪切薄板支撑钢框架结构的抗震机理及设计方法研究

In recent years, the casualties resulted from strong earthquakes have decreased significantly, and the buildings considering seismic design have obtained the desired design target without any collapse under rare earthquake. However, the excessive residual deformation leads to the interrupting of structural operating function, and induces the extreme reparing issue and huge cost. Therefore, the development of innovative structure with self-centering capacity will produce important effect on reducing the economic loss. The energy-based seismic design method has became an important meature to control structural damage, improve structural seismic behavior, and enhance the disaster resistance capacity..The innovative self-centering braced ductile thin shear panel steel frame has tiny residual deformation, and excellent post-earthquake self-centering capacity. So it will propose a broad application prospect in the seismic region. This project adopts test, FEM simulation, and theory analysis approach to investigate the self-centering capacity, seimic mechanism, and optimuim of design parameters of this new type structural system. The story shear distribution along the structural height at elastic-plastic state will be determined, and the cumlative hysteretic energy spectrum and cumulative ductility ratio spectrum for self-centering SDOF system will be also proposed based on a large number of time history analysis. In addition, combined with the structural performance index at the different earthquake levels, the energy-based plastic seismic design method of this new structural system will be proposed, which can provide theoretical basis and technical support for the engineering application.

近年数次强烈地震造成的人员伤亡已下降，经抗震设计的结构已实现大震不倒的目标，但结构过大的塑性残余变形不仅导致震后建筑使用功能中断，还给震后修复带来极大困难，产生巨额费用。开发具有自复位功能的新型结构体系对降低震后经济损失有重要意义，研究基于能量的性态塑性抗震设计方法成为控制结构损毁程度、改善结构抗震性能、提高结构抗灾变能力的有效手段。.新型自复位延性剪切薄板支撑（SC-BDSP）钢框架结构震后残余变形小、自复位功能优良，适合地震设防区使用。本项目拟采用试验和理论分析相结合的手段研究SC-BDSP结构在循环荷载作用下的自复位功能及抗震机理；研究SC-BDSP结构沿高度的弹塑性状态层剪力分布；提出自复位SDOF体系的累积滞回耗能需求谱、累积延性需求谱及其数学表述；量化此类结构在不同地震水准的性态指标；提出这一新型结构体系基于能量的性态塑性抗震设计方法，为其工程应用提供理论依据和技术支持。

新型自复位延性剪切薄板支撑钢框架（SC-BDSP）是一种新型的抗侧力结构，通过设置具有捏缩滞回特征的延性剪切薄板，使其具有较高的水平承载力和抗侧刚度，还可显著降低用于实现自复位功能的镍钛SMA线材用量。.本项目对新型自复位延性剪切薄板支撑的细部构造、滞回性能、复位效果、设计方法、性能评估展开了深入研究。结合SMA线材、延性剪切板等提出了具有最优力学性能的自复位延性剪切板细部构造，重点考察钢板高厚比、钢板尺寸、钢板类型、加劲肋布置方式、SMA用量等因素，设计完成了共计14个1:3缩尺的延性剪切板中心支撑及自复位延性剪切板中心支撑的低周往复加载试验，分析了试验试件的滞回性能、复位性能、抗侧刚度、变形及延性、耗能能力等。结合SMA线材、只拉板带提出了SMA用量最少的自复位中心支撑（SC-SB）细部构造，完成了8个1:3缩尺自复位中心支撑试件的低周往复加载试验，研究了相关参数对其滞回性能、承载力、轴向刚度、复位能力的影响。设计了3榀1:3缩尺的单层、单跨延性剪切薄板支撑钢框架试件，通过在节点部位增设碟簧，提高复位能力，并完成了低周往复加载试验，研究了节点类型对此类结构滞回性能、复位效果等性能影响。采用ANSYS软件建立了SC-BDSP、SC-SB、SC-SB结构的精细化有限元模型，进行了参数分析。基于试验与参数分析结果，提出了交叉杆简化模型和自复位交叉杆简化模型，并给出了理论推导公式。基于循环Pushover分析方法量化SC-BDSP结构的超强性能、延性折减系数和强度折减系数。考虑地震事件、阻尼比、后期刚度比、延性、周期等因素影响，建立了一种无量纲的标准化累积滞回耗能谱。根据我国抗震设计规范，考虑结构层数、抗震设防烈度、远近场地震等因素的影响，基于弹塑性时程分析方法提出了SC-BDSP结构在罕遇地震水准下的层剪力分布模式、层间累积滞回耗能的分布模式及计算公式。提出了SC-BDSP结构的理想屈服机构；结合能量平衡原理、考虑高阶振型的影响，提出了SC-BDSP结构基于累积耗能的塑性抗震设计方法及基于位移的抗震设计方法。考虑近场速度脉冲效应，根据能量平衡原则提出了近断层地震下SC-BDSP结构基于MECE谱的性态抗震设计方法，采用弹塑性时程分析方法和能力谱方法对所提设计方法进行了评估。.以上研究成果已撰写19篇学术论文，申请专利3项。