带有间隙弹性连接的屈服耗能装置滞回性能和应用研究

消能减震技术是减轻地震灾害的重要手段。强震或近断层地震作用下耗能装置的变形可能超出容许变形，导致装置先于结构破坏形成薄弱层，间接引起结构损伤甚至倒塌。为此，提出将间隙弹性连接与屈服耗能装置组合来解决这一问题。拟通过理论推导、数值分析和试验研究相结合，分别从理论、构件和结构层次上开展带有间隙弹性连接的屈服耗能装置滞回性能和应用中关键问题研究。理论层次上通过对带有间隙弹性连接的防屈曲支撑门式钢桥墩进行拟动力试验，从而提炼出带有间隙弹性连接屈服耗能装置滞回性能一般规律，给出滞回模型初步建立方法；构件层次上对BRB进行改进提出BRB-EGD，通过数值分析和拟静力试验，研究BRB-EGD参数对其受力性能、耗能和累积应变能力的影响，给出BRB-EGD滞回特性精确模型；结构层次上通过BRB-EGD减震结构拟动力试验和非线性数值分析，提出结构性能评估简化方法，总结BRB-EGD参数对结构抗震能力影响规律。

强震作用下结构的耗能装置的变形可能超出容许变形，导致装置先于结构破坏形成结构薄弱层，间接引起结构损伤或者倒塌。本项目提出将间隙弹性连接(GE)与屈曲约束支撑(BRB)组合形成带有间隙弹性连接的屈曲约束支撑(GE-BRB)来解决这一问题。BRB作为GE-BRB的关键组成部分首先被研究。从材料和构件两方面出发，通过系列等幅和变幅低周疲劳试验评估了Q235钢材、无黏结材料和核心板屈服段端部塑性扭转等对BRB低周疲劳性能的影响。试验结果表明BRB滞回曲线饱满，屈服段内的焊缝对低周疲劳性能影响显著；与国外文献试验相比，国标Q235钢BRB与SM400A钢BRB性能相当；采用和未采用无黏结材料的BRB均表现较好的低周疲劳性能，但采用无黏结材料后，BRB在等幅加载中的循环次数增加了21%，低周疲劳性能略有提高；未采用无粘结材料的BRB残余变形更为显著，且核心板端部膨胀会挤压填充板条；BRB核心板端部无约束段的塑性扭转屈曲会导致BRB整体失效；BRB轴向变形对扭转屈曲失效影响显著；提出的理论公式能够较好的预测BRB端部无约束屈服段的扭转屈曲失效。通过上述研究总结出具有稳定滞回性能的BRB设计要点。其次，提出间隙弹性连接的设计思路：当拉伸或者压缩变形大于启动间隙时，弹性连接都处于受拉状态。结合上述BRB试验结果，提出将GE与BRB并联形成GE-BRB。详细地推导了GE-BRB各阶段刚度特性：GE-BRB在大变形时有明显的第三刚度特性，卸载刚度特性与最大应变幅有关，在受压状态下的第三刚度略小于受拉状态下的第三刚度。在此基础上设计了GE-BRB的装置并进行了构件的变幅往复加载试验，试验表明滞回曲线具有明显的第三刚度，与理论分析吻合。进一步分别采用修正Two-Surface模型和Chaboche混合强化模型进行模拟，结果表明这两个模型都能较好地反映GE-BRB滞回特性。此外，为了减少GE-BRB的重量，提出将GE部件用做BRB核心板的约束部件。在此基础上提出了改进型GE-BRB。最后，采用增量动力分析方法对BRB和GE-BRB框架进行分析，评估了间隙和GE刚度对其抗震性能的影响。结果表明GE-BRB能够有效减小框架结构的薄弱层效应，提高结构抗倒塌能力。项目期间共申请国家发明专利7项，获得授权实用新型专利4项，发表论文18篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文10篇。