文摘

括号和故意偏心率(BIE)最近提议提高地震的行为常规屈曲括号(CBBs)插入故意偏心曲柄长度。由于这个怪癖和合成弯矩,国际展览局弯曲均匀小层飘,顺利进入压缩下的后屈曲行为和维持张力下三线的行为。这种行为延误夜半的出现局部屈曲导致不稳定的能量耗散。bie有可取postyielding刚度导致稳定的能量耗散在循环荷载和能够在低强度的地震能量消散。结构的地震行为bie用于建筑尚未研究,特别是在高层建筑。因此,本研究致力于研究高层建筑的抗震行为配备bie使用三维(3 d)在ETABS有限元模型。在第一步中,一个20层高的结构设计使用两个偏心支撑框架(EBF)和BIE系统及其抗震性能在塔巴地震记录进行比较。在第二步中,鲍存良不规则结构的抗震性能评估来评估国际展览局系统在不规则结构的效率。结果表明国际展览局的理想的性能和能量耗散能力系统,但在某些情况下它还显示了大平面外变形。

1。介绍

支撑系统被广泛用作侧向抵抗系统在各种类型的低层和高层建筑。支撑是一种有效和经济的方法对横向负载提供刚度和强度。效率主要是因为对角线的成员的工作主要在轴向应力,这需要最小成员大小的结构系统。同心支撑和偏心支撑支撑的两大类。

典型的中心支撑框架(cbf)只能带牙套的轴向载荷。在同心支撑系统中,所有的成员(梁、列和支撑)的方式,他们在一个共同的点1]。cbf的主要缺点之一是不可靠的循环荷载下的行为。另一方面,能量耗散机制不是很有效的在中心支撑框架(2- - - - - -4]。cbf的另一个缺点,许多实验研究表明,由于快速集中塑性应变的增加,断裂是同心括号的局部屈曲。

在偏心撑(ebf),轴向载荷和弯曲成员(水平成员)成员参与横向承载机制。在偏心支撑,支架放置的一个偏移量列。偏心支撑可以提供同心支撑的优势,同时它有一个明显的延性。另一方面,在建筑的背景下考虑,在做好跨越ebf可以提供较大的开口。然而,所需的详细ebf比同心支撑更加复杂(5]。

postyielding刚度是影响结构响应的行为参数除了强度、刚度和延性。结构导致的高postyielding刚度较大的能量被吸收在地震激励(6]也少地震需求的强度和残余位移(7]。结构的荷载位移关系系统postyielding高刚度可能表现为三线的行为,更好地满足多级抗震设计标准(8]。此外,大postyielding刚度导致减少残余位移需求的结构,有助于防止soft-storey机制(9]。虽然传统撑提供postyielding刚度有限,,然而,提高上述弱点cbf这可能被视为一个动机发展新的钢支撑系统。

最近引入了一个新的撑设计改善支撑结构的抗震性能通过控制重要的结构特点,如初始刚度、屈服强度、系统的漂移能量开始消散,postyielding刚度,局部屈曲浓度、总耗散能量,骨折发生漂移。在这个新引进支撑命名为括号与故意偏心(BIE)插入一个故意偏心曲柄长度控制撑变形。

第一个杰出的研究工作在bie是由Skalomenos et al。10]。他们提出了一个原型设计的常规屈曲括号通过引入一个初始偏心沿着撑长度从而导致一种改进的抗震性能。在他们的实验工作,五½大小BIE标本进行测试循环横向荷载下协议漂移角度从0.10到4.0%。同时,他们测试了传统撑标本相同的维度和零偏心率在相同加载模式进行比较研究。结果显示提出的钢支撑的能力提高的一些传统的钢支撑的负面特征。他们得出结论,提出了支撑系统可能被视为一个可行的替代钢撑。

Skalomenos et al。10)开发了一个在线混合测试环境评估扣板连接的抗震性能的钢牙套。在这方面,他们整合子结构化技术和有限元方法。Skalomenos et al。11)提出了一个实验调查感应加热的材料特性(IH)处理钢铁元素用于bie。他们使用IH治疗和应用它一半的截面加强这部分的强度,而其余部分钢的常规性能。他们的测试表明,治疗撑展品高postyielding抗拉刚度(等于初始刚度的20%)。的标本能够消散的能量在循环荷载2.0%层漂移由于相当大的延迟局部屈曲。

冈萨雷斯Urena et al。12)使用过程基于直接基于位移设计(DDBD)方法对bei 2 d框架的抗震设计。通过使用这种方法,他们设计的建筑有4、8和12层。bie被认为是高速钢部分目标漂移率为1.5%和2.5%。他们还设计了同样的建筑特别cbf提供一个比较研究。他们的研究结果表明,他们采用的设计方法是适用于bie的设计。他们评估结构的抗震性能,得出的结论是,bie可以提供一个经济高效的替代传统的cbf。

在上述实验和分析研究工作一直在进行这种类型的括号的循环行为元素水平,全球的行为结构配备这些撑尚未评估,尤其是对高层建筑。因此,本研究旨在调查高层钢结构的抗震行为配备bie下地震记录和比较其与EBF系统的能量耗散能力。三维(3 d)在ETABS有限元模型将被用来提供一个详细的了解结构的响应。

响应历史分析利用ETABS执行评估结构的抗震性能。限值、基底剪力和耗散能量使用的塔巴地震下的反应评估记录。bie的循环行为也是评估。

2。括号和故意偏心率(BIE)

在括号故意偏心率(BIE),如图1,一个有意的偏心e介绍了沿支撑长度影响变形的支撑。这个怪癖,bie进行整体弯曲小层漂移。图2显示了BIE的变形形状。时刻反常地应用轴向力产生的结果更均匀分布沿曲柄长度压力和紧张。这个延迟局部屈曲的浓度导致扩展的韧性行为支撑元素。


图1
BIE的配置(10]。

图2
变形形状拉伸和压缩载荷下的支撑13]。

bie的循环行为是这些支撑系统的主要方面影响全球地震载荷作用下结构的行为。自ETABS将被用来分析结构和获得地震下结构反应记录,BIE的一个合适的模型应该在ETABS开发。这个模型应该从先前的研究结果验证了达到一个适当的估计BIE的循环行为和骨干曲线。

BIE系统结构建模的第一步是开发一个模型支撑的元素水平。这里使用与纤维铰链梁单元模型的弯曲行为和使用一个轴铰链轴向行为的模型元素。这些铰链并行建模,放置在中间,两头的元素。生成的模型ETABS图所示3。图中可以看出,偏心率对通过刚性连接两端的元素。


图3
弯曲和轴铰链BIE元素。

纤维铰链使用10层模型在每个方向上的部分。这种纤维截面如图4。假设括号只在平面外弯曲的方向。


图4
纤维截面高速钢178×178×16。
2.1。轴向载荷

为了验证ETABS的开发模型,在工作中获得的结果由冈萨雷斯Urena et al。12)进行了研究。他们用OpenSees模型bie和评估他们的行为和不同参数的影响。他们的模型的实验结果验证了Skalomenos et al。14),还shell-based有限元模型在商业软件,有限元分析。一个元素在张力和压缩的此行为是高速钢在他们的工作报告178×178×16 5408毫米长模仿。345 MPa的名义屈服应力被认为是高速钢的部分。位移控制加载ETABS进行的这项研究。一个轴向载荷施加在元素的左端,右端是限制和压缩和250毫米100毫米的位移位移张力是应用于元素。截面和刚性元素也显示在图5。


图5
的图表元素。

在压缩变形的形状元素图所示6在步骤100毫米的位移和压力位移如图126.9毫米7。


图6
在压缩变形的形状元素δ= 100毫米。

图7
变形的形状元素张力δ= 126.9毫米。

轴向压缩下,铰链仍在弹性状态,纤维弯曲。在张力,张力和弯曲荷载位移图。来验证开发的行为模型,生成的荷载位移图冈萨雷斯Urena et al。12)而生成的模型研究的结果如图8。在图中,虚线是结果从模型中生成的在这个研究。可以看出发达模型成功地提供良好的估计BIE的压缩和拉伸行为。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
比较产生的荷载位移图冈萨雷斯Urena et al。12)与生成的模型研究的结果对高速钢178×178×16 biel和Lea = = 5408毫米360毫米:张力(a)和(b)压缩。
2.2。循环的行为

此外,元素的循环行为验证。工作的冈萨雷斯Urena et al。12),轴向力与横向漂移滞后情节相同的高速钢元素生成的偏心率180毫米。他们用OpenSees分析做好湾6米宽,4米高。加载协议有对称周期越来越等效限值的0.1,0.25,0.75,1.0,1.5,2,3%。正如预期的那样,国际展览局显示显著postyield僵硬紧张,与建行。在压缩阶段,国际展览局表现出稳定的最大负载等于后屈曲力。

单一元素部分在前面的开发是组装在一个框架e= 180毫米偏心和上述尺寸如图9。一个循环荷载应用于上层节点的框架。


图9
BIE的框架元素e= 180毫米。

位移加载协议应用于最左边的上层节点的框架如图10。


图10
基于位移加载协议。

此图框架的验证结果冈萨雷斯Urena et al。12)如图11。图中蓝线是由模型获得的结果在本研究中利用ETABS。可以看到,一个好的协议是实现这个模型。应该注意的是,这两个结果的差异可能是由于不同的假设退化参数的两种模型。


图11
验证模型的荷载位移行为的研究结果,冈萨雷斯Urena et al。12]。

铰链的非线性moment-rotation行为的中间支撑图所示12。基于验证在这一节中,发达元素模型将用于结构模型和bie评估结构的抗震性能。


图12
的非线性行为在中间支撑铰链。

3所示。20层高的结构

3.1。EBF系统

第一个结构模型的抗震性能评估是与高地震活动性20层高的建筑面积。Eurocodes 3和8用于设计结构。假设地面类型B和地震带是1一个gr根据[= 0.35克15]。层的高度是3.5米,海湾的宽度是6米。钢铁材料是假定有345 MPa的屈服应力。一个3 d框架的布局图所示13。做一个比较研究,结构首先EBF系统而设计的梁,柱连接包括铰链梁与柱连接。


图13
3 d 20层高的布局与EBF支撑结构。
3.2。横向弹性反应谱

根据地震参数的位置,横向弹性反应谱计算根据Eurocode 8 [16]。在这里,我们有 , , , ,和 。因此,弹性反应谱计算如图14。


图14
横向弹性反应谱。

为目的的弹性设计的结构,应该计算的行为因素。根据Eurocode 8 [16],DCH延性类的行为因素和框架偏心撑 ,时的值 是1.2。因此,行为因素是获得的价值 ,因此,弹性分析的设计谱计算如图15。


图15
为弹性分析设计谱。
3.3。结构设计

根据获得的设计谱图15在ETABS, 20层高的结构设计(设计细节,请参考[17- - - - - -21])。结构元素的截面数据所示16和17。


图16
为外框设计部分。

图17
为内部框架设计部分。
3.4。BIE系统

相同的结构设计为EBF配备的bie评估和比较他们的抗震性能。相同的高速钢178×178×16部分与120毫米偏心作为BIE成员,和唯一的区别在于,小截面以来,这种结构用于横梁撑不连接梁在国际展览局系统和没有需要使用重梁部分。bie被放置在两个中间横跨如图18。安装的细节与刚性元素在图所示9。


图18
bie 20层高的第一层结构。
3.5。非线性时程分析

与两个支撑系统结构的非线性行为研究在塔巴地震。其加速度图由RSN143同行数据库中可用。两们的水平分量记录如图19。


图19
们的塔巴RSN143地震加速度图。

这次地震记录应该相应根据Eurocode 8 [16]。EC8建议扩展所产生的人工记录应真实地面运动记录。为此,扩展的频谱记录应该总是大于90%的目标谱0.2和2.0 T1之间的时期。这里,T1是结构的基本周期激励的应用方向。另外,平均频谱的价值T1 = 0的值应大于目标光谱T1 = 0。第一个模式时期EBF的结构是3.1秒,bie的结构是3.5秒。根据图20.0.8比例因子可以用于这次地震记录。


图20
扩展过程的塔巴加速度图。
3.6。地震反应

比较了两个系统的结构响应。图21显示了两种结构的屋顶位移。作为显示在图,EBF的位移系统的位移小于BIE 39%显示更大的刚度EBF系统。所以,应该使用大括号在国际展览局系统获得一个等效刚度,然而,我们将看到在下面几节中,该系统可以接受的抗震性能和使用大括号不是必需的。


图21
屋顶BIE和EBF结构的位移X和Y的方向。

生命安全的漂移限制(LS)性能水平根据ASCE41-06表》(2007)是0.015。最大的分布混日子的高度构建如图22。可以看出,国际展览局系统中的interstorey漂移大于EBF系统和LS是国际展览局系统中不满意水平。为了比较两个系统,支撑截面不发生变化。很明显,国际展览局的漂移率系统可以减少使用较大的截面和小偏心。


图22
最大inter-story漂移两种结构的高度。

bie和链接中所开发的塑料铰链梁图所示23。可以看出,国际展览局系统提供了一个均匀分布的塑料铰链结构的高度。尽管EBF系统结构的侧向刚度大,结构的位移小EBF系统,损害赔偿的浓度在塑料铰链梁大EBF相联系,它可以从图验证23。样品磁滞非线性铰链的行为两个系统图所示24。


图23
发达铰链梁在bie和链接。

图24
样品磁滞非线性铰链BIE和EBF系统的行为。

应该提到的是,在国际展览局系统,括号显示大最大的平面外变形如图25外框架的结构。这些变形超过20厘米在某些情况下,当成员在压缩。这个大的几何变形是由于bie如图6。它可以总结为一个缺点BIE的系统,可能会影响所面临的外部和包复的结构。


图25
括号的平面外变形BIE系统(水平规模翻了一番)。

国际展览局的耗散能量系统如图26。EBF系统,它是显示在图27。可以看出,国际展览局的耗散能量系统(黄色)大于EBF系统160%。


图26
国际展览局的耗散能量系统。

图27
EBF的耗散能量系统。

BIE的层剪切力和高炉系统如图28。可以看出,国际展览局系统层剪切力小于EBF的系统。两个系统的最大基地剪比较表1。


图28
故事最大剪切力立在20层楼高结构,BIE和EBF系统。
表1
基地20层高结构剪BIE和EBF系统。

两个系统中使用的钢铁材料比较表2。可以看出,国际展览局系统中使用的钢铁材料小于EBF系统近20%。减少是由于较小的梁段在国际展览局系统。很明显,使用更大的BIE元素控制限值可以减少储蓄。

表2
钢铁材料在20层高与BIE和EBF系统结构。

4所示。鲍存良与竖向不规则结构

4.1。结构体系

第二个结构模型的抗震性能评估是鲍存良建筑竖向不规则。这种不规则的形式挫折的11th和19th层的建筑。这个结构被认为是评估bie的性能在不规则结构扭转效应当bie靠近中央的核心结构。假设大楼位于高地震活动性。Eurocodes 3和8用于设计结构。类似于前一节中,我们假定地面类型B和地震带是1一个gr根据[= 0.35克15]。层的高度是3.5米,海湾的宽度是6米。钢铁材料是假定有345 MPa的屈服应力。一个3 d框架的布局图所示29日。同时,这种结构的第一层图所示30.bie的位置。附近的括号的核心结构放置在所有层在结构的高度,括号外的建筑持续到10th层。突出bie的抗震性能和能量耗散的能力,所有的梁,柱连接假定为铰接。


图29
3 d和bie鲍存良不规则结构的布局。

图30
1圣层的鲍存良bie的结构和位置。
4.2。横向弹性反应谱

从该研究中建筑物的位置是常数,用于该结构的弹性反应谱水平是一样的,前面计算的。因此,弹性反应谱图的形式14。应该注意的是,国际展览局系统不是介绍了现行抗震规范,我们取得了一个粗略的假设设计的结构和获得截面梁和柱的元素。的值被认为是行为因素 ,因此,弹性分析的设计谱计算如图15。

4.3。结构设计

根据获得的设计谱,ETABS鲍存良结构设计。结构元素的横断面图如图31日和32。高速钢178×178×16部分与120毫米偏心作为BIE成员在这个结构。应该注意的是,bie不显示在这些数字,因为他们是在另一个高度协调由于故意偏心率。相反,它们的位置如图30.。


图31
为外框设计部分。

图32
为内部框架设计部分。
4.4。非线性时程分析

类似于前面,鲍存良结构的非线性行为与垂直下研究了不规则的塔巴地震。第一个模式的bie的鲍存良结构是5.5秒。根据图20.0.8比例因子可以用于这次地震记录。

4.5。地震反应

的结构响应结构研究了在这一节中。图33显示了屋顶鲍存良结构在两个方向上的位移。相当大的残余位移在40厘米的顺序Y方向。这可能归因于结构的不规则性。同时,最大混日子的高度的分布如图34。大型interstorey飘在从10到19层,挫折在哪里应用于建筑的建筑。这个问题是非常重要的因为漂移值超出了生命安全(LS)限制根据ASCE41-06(2007)和可能导致不稳定的结构。LS限制(0.015)也显示在图34。


图33
屋顶约结构bie的位移X和Y的方向。

图34
最大inter-story混日子的高度约结构。

可以推断,bie安装在一些层不够硬,减少层位移因为违规行为的影响,因此他们应该得到加强。11的挫折th和19th层水平原因集中在这些层的层剪。因此,更大的部分是用作bie在这些层水平调查的以下部分。

4.6。加强鲍存良结构

大BIE部分中使用y新方向加强鲍存良结构(高速钢304×304×16)。此外,故意更多刚度偏心减少到80毫米。减少故意偏心率的影响最大限值和BIE系统的能量耗散能力在这里得到证实。第一个模式时期(T1),这种结构减少到4.5秒。值得一提的是,地震记录保持不变的比例因子自管理部分的响应谱是在1.5秒左右。

上述加强导致少interstorey如图35。可以看出,LS这个结构和性能水平主要是满足最大漂移率减少了近50%。由一个试错的过程,一个适当的结构的刚度和强度可以通过选择一个合适的截面的bie和适当的离心率,同时保持结构的耗能能力。这是一个相当大的优势,国际展览局系统。


图35
最大inter-story混日子的高度加强约结构。

最大层剪切力如图36。剪切力的均匀分布在这个数字36。更大的部分,减少bie的怪癖y导致更大的剪切力的方向y方向。


图36
最大剪切力故事约加强结构。

bie如图中所开发的塑料铰链37。可以看出,国际展览局系统提供了一个均匀分布的塑料铰链结构的高度14th层。


图37
发达铰链梁在bie和链接。

类似于20层高的结构、大型平面外变形bie。这些变形是超过30厘米在某些情况下。

国际展览局的耗散能量系统如图38。黄色部分显示了bie的能量消散。


图38
国际展览局的耗散能量系统加强了约25层楼。

为了研究不规则结构扭转效应,max /平均值的限值检查。这一比率在1.2所有层的水平。因此,没有过度扭转位移是这个结构在地震荷载作用下诱导。

5。结论

在先前的部分中,分析评估结构的抗震性能与国际展览局系统。由于BIE的循环行为是这些支撑系统的主要方面影响全球地震载荷作用下结构的行为,作为第一步,一个合适的模型,国际展览局是ETABS发达。这个模型被验证的结果之前的研究达到一个适当的估计BIE的循环行为和骨干曲线。在第二步中,20层高的正则结构由EBF设计系统,然后在相同的结构,撑bie所取代。两种结构的抗震性能比较的塔巴地震记录的屋檐下位移、层漂移率,耗散能量,钢的重量。在第三个步骤中,鲍存良不规则结构的抗震性能研究。不规则的形式是挫折的11th和19th层的建筑。interstorey漂移率在这个结构验证了LS性能水平,加强和结构来实现这一性能水平下的塔巴地震记录。根据获得的结果在之前的章节中,以下的结论可以推导出:(1)发达的行为模型的验证通过比较产生的荷载位移图冈萨雷斯Urena et al。12)与生成的模型研究的结果表明,开发的模型成功地提供良好的估计BIE的压缩和拉伸行为。结果表明,三种纤维的结合铰链(两个两端和一个中间的元素)和一个轴铰链BIE元素会导致国际展览局成员国的数值模型。(2)根据获得的结果20层高的结构、国际展览局系统提供更少的横向刚度EBF系统相比,导致较大的侧向位移和漂移。大截面应该使用在BIE元素来满足漂移限制根据设计规范。(3)国际展览局系统提供一个均匀分布的塑料铰链结构的高度防止损害塑料铰链的浓度。BIE的塑料铰链系统开发初始阶段的地震激励从而提供一个良好的能量耗散能力。(4)稳定的磁滞行为在国际展览局系统导致大量的能量耗散而EBF系统。bie从早期开始抑制和消除输入能量的激励水平。(5)BIE系统耗散能量的比例远远大于EBF的系统。这个分数计算相对于总输入能量。这表明BIE的优越性系统能量耗散能力。(6)比较两种结构的层间剪切力国际展览局和EBF系统表明,国际展览局系统受到了少层剪切力。这可能是部分原因是BIE系统的刚度越小。然而,一个全面的结论需要进一步调查比较地震剪切力在两个系统使用相同的层剪屈服。(7)在国际展览局系统中,括号显示大的平面外变形。这些变形超过20厘米在某些情况下,可以认为是国际展览局系统的一个缺点。(8)钢铁材料的重量的比较两个20层高的结构与国际展览局和EBF系统显示,钢铁材料结构与国际展览局系统近20%小于EBF系统。减少是由于较小的梁段在国际展览局系统。很明显,使用更大的BIE元素控制限值可以减少储蓄。(9)鲍存良不规则结构的性能评估的顺序显示相当大的残余位移的40厘米Y方向。这可能归因于结构的不规则性。(10)大型interstorey飘被鲍存良从10到19层的结构之前加强挫折在哪里应用于建筑的建筑。漂移值超出了生命安全(LS)根据ASCE41-06限制。为了克服这个缺点,鲍存良结构加强了在bie使用较大的部分和有意的怪癖。(11)加强(更大的部分和少故意怪癖bei)应用于鲍存良结构导致interstorey漂减少了近50%。由一个试错的过程,一个适当的结构的刚度和强度可以通过选择一个合适的截面的bie和适当的离心率,同时保持结构的耗能能力。这是一个相当大的优势,国际展览局系统。(12)为了研究与竖向不规则结构扭转效应,max /平均值的限值进行了探讨。获得的比例在所有层水平低于1.2。因此,没有过度扭转位移诱导鲍存良不规则结构在地震荷载作用下。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

本研究进行了作为第一作者的硕士项目的一部分第二作者的监督下,伦敦大学。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。