本文是一篇建筑施工与管理论文，本文提出了一种自复位耗能支撑，通过理论分析，给出了SCED支撑的简化恢复力模型。基于ABAQUS软件对单个支撑建立精细化有限元模型，研究其复位能力和滞回性能。
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
地面运动引起结构产生的动力效应即地震作用，是一种整体型作用。地震的发生具有破坏性和随机性，因此给人类造成了无法估量的生命财产损失，是人类面临的严重的自然灾害之一。我国幅员辽阔，人口众多，且位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，7度以上强震区域约占国土面积的58%，是世界上少有的地震灾害较为严重的国家之一。1976年7月28日，我国唐山发生7.8级大地震，2008年5月21日，汶川发生8.0级大地震，2013年4月20日，芦山发生7.0级大地震，三次大地震分别造成242 769人死亡、69 227人死亡和217人死亡，分别造成直接经济损失为50多亿美元、2300多亿和20多亿美元。
有鉴于此，吕西林教授[1-2]提出“可恢复功能结构”的概念，即地震后不需修复或稍加修复便可恢复其使用功能的结构，例如自复位梁柱结构、自复位钢筋混凝土剪力墙结构[3-5]还有自复位耗能支撑结构。其中，自复位梁柱结构通过将梁柱连接节点[6-8]的转动约束放松，增设复位和耗能装置抵抗弯矩，将柱脚约束放松[9-11]，柱底在往复运动过程中可以抬起，从而避免局部塑性变形；自复位钢筋混凝土剪力墙结构，通过将基础与墙间约束放松，增设复位和耗能部件分别提供恢复力和阻尼力，以同时减小层间位移和震后残余变形。但是，国内外研究者在探究自复位剪力墙结构抗震性能的过程中发现，墙体在地震中的摇摆与楼板的变形存在着不协调的现象，这种差异导致了楼板与吊顶的破坏[12]。而自复位框架结构中框架梁的伸长效应明显，预应力筋所提供的自复位效率有待提高[13]。近年来，有关自复位耗能支撑的研究[14-21]受到广泛关注，其最大的优势在于实现结构自复位的同时，将耗能和损伤集中于支撑部位，减小因塑性变形耗能引起的结构损伤，震后只需替换原有支撑而不改变结构主要受力构件。
1.2 复位材料研究
目前，支撑的发展经历了三个阶段，即传统支撑、防屈曲支撑[22-27]和自复位支撑。传统支撑和防屈曲支撑通常缺少自复位的能力，这导致结构在地震后存在较大程度的残余变形，妨碍震后的重建和修复。不仅如此，相关研究表明[28]，当结构的残余位移角超过0.5%时，修复成本甚至高于重建投入。
在地震作用下，自复位系统是保护主体结构、减小或消除震后残余变形的直接和关键因素，复位材料的合理选择对复位效果具有重大意义。因此，在选择复位材料时，必须综合考虑以下因素：一是材料本身易获取性以及易加工性，二是经济实惠程度，三是是否具备足够的变形能力，同时还要稳定可靠。综合国内外现有研究成果，当前主要使用的复位材料包括各类高性能纤维筋材、形状记忆合金以及高强度钢绞线。值得注意的是，虽然高性能纤维筋材作为一种优质的复位材料在许多方面表现出众，但其锚固技术尚不成熟，常常存在锚固段过早滑移的情况，并且相对较高的成本也限制了其适用范围；以镍钛合金作为代表的形状记忆合金虽有较好的弹性和滞回性能，但性能受温度影响较大，成本较高，其推广使用尚不成熟；预应力钢绞线虽价格低廉、锚固可靠，但其极限弹性变形小，严重限制了支撑的轴向变形。因此，随着材料科学研究的进展，研发性能优良且造价合理的复位材料，提高支撑的受力性能是今后需要深入研究的一个重要方面。
第2章 新型SCED支撑构造设计及力学性能分析
2.1 前言
在结构的抗震设计中，支撑的合理有效布置能够显著提高结构的刚度和耗能能力，同时，降低主体结构的地震响应。传统的钢支撑在地震作用下容易出现屈曲现象，其耗能能力也相对较弱，这些缺陷对结构的安全性构成了不利影响。BRB的主要通过约束构件限制耗能钢材受压时的屈曲行为，在轴向拉压作用下均可屈服从而避免了整个结构的失稳破坏，增加了支撑的耗能能力。但是，BRB在地震作用后存在较大的残余变形，无法在震后继续使用且维修成本高、难度大。通常情况下，自复位耗能支撑（SCEDB）由复位系统和耗能系统两部分组成，二者的协同作用使得支撑在结构受到外部激励时，耗能系统吸收和分散能量，从而减小结构的地震响应。而在地震结束后，复位系统使结构快速回复到初始状态，减小残余变形的产生。
目前，SCED支撑多采用形状记忆合金或预应力钢筋为构件提供恢复力。然而，形状记忆合金虽具有良好的变形性能，但该金属在变形后需要通过加热使其恢复至变形前的状态，性能受温度影响较大；预应力钢筋或钢绞线存在锚固复杂、极限弹性变形小、造价高昂等不足。
本章提出一种新型自复位耗能支撑，通过预压组合碟簧提供恢复力、摩擦进行耗能，并分析了该支撑的构造形式、工作原理，建立了理论滞回模型。
2.2 复位系统的构造设计和力学性能
2.2.1 复位系统的构造设计
组合碟簧作为支撑恢复力的来源，直接影响复位效果，是支撑受力变形后自复位的关键，也是复位系统设计的重要部分。由于其自身构造特点，碟簧只能承受压力，而不能承受拉力，因此如何确保在自复位支撑受力变形的过程中，组合碟簧始终承受压力作用是设计的关键。如图2-1所示，自复位系统由中心板、外套板、推板和受压弹簧系统组成。其中，组合碟簧由若干碟形弹簧按照一定规律的叠合、对合方式组合而成，在实际使用中，会预先挤压组合碟簧，施加碟簧预压力，以此作为支撑复位力的主要来源。
第3章 新型SCED支撑的有限元建模及分析 .................. 24
3.1 前言 .................................. 24
3.2 长孔螺栓节点摩擦构件的有限元建模 .................... 24
3.3 组合碟簧的有限元建模 .................................... 26
第4章 新型SCED框架的地震响应分析 .......................... 37
4.1 前言 ........................... 37
4.2 结构布置及设计资料 .............................. 37
4.3 新型SCED支撑框架结构模型 ............................ 38
第5章 结论 .................. 68
第4章 新型SCED框架的地震响应分析
4.2 结构布置及设计资料
本文选用文献[63]中所述的九层钢框架结构，平面尺寸为18 m×18 m，形状对称，忽略结构扭转的影响。框架层高3 m，跨度3.6 m，梁、柱的连接方式为刚接，截面尺寸如表4-1。结构位于中国北京，处于8度抗震设防区，基本设计地震加速度为0.2 g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。楼面活荷载标准值取2.0 kN/m2，恒载取楼面板重力，外墙荷载标准值取1.5 kN/m2。结构的材料选用Q355钢，弹性模量为206 000 MPa，泊松比为0.3。
第5章 结论
本文提出了一种自复位耗能支撑，通过理论分析，给出了SCED支撑的简化恢复力模型。基于ABAQUS软件对单个支撑建立精细化有限元模型，研究其复位能力和滞回性能。并分别对无支撑框架、附加普通支撑框架和自复位耗能支撑框架在不同地震波作用下的地震响应进行分析，主要结论如下：
（1）设计提出一种利用预压组合碟簧提供复位力，利用摩擦耗能的新型自复位耗能支撑，可以通过调配螺栓预紧力和碟簧预压力在保证支撑震后复位的前提下，改变支撑的耗能能力。同时构造简单，安装方便，性能稳定，传力机制明确，具有良好的变形能力、承载能力、耗能能力和复位能力。
（2）为确保在数值模拟复位系统时，组合碟簧受压变形的准确性，分别对某规格的碟簧进行多种组合形式下的受压实验。结果表明：不同组合形式碟簧受压变形曲线的实验值和模拟值基本重合，说明连接器可以准确的模拟组合碟簧的变形性能。以耗能系统及复位系统为组合结构单元，选择合理参数，借助ABAQUS建立自复位耗能支撑的有限元模型。通过对两种不同工况下支撑的耗能及复位性能数值模拟计算，结果表明：本文提出支撑的滞回曲线为典型的旗帜型，且与恢复力理论模型吻合度高，可准确的模拟出支撑的滞回性能。
（3）以某框架结构为例，分别建立无支撑框架、附加普通支撑和新型自复位耗能支撑钢框架的有限元模型，按规范选取三条地震波，做调幅处理后，对三种框架结构进行非线性时程分析。通过对比表明：自复位耗能支撑可有效减小结构的顶层位移、侧向位移和残余变形，具有更好的复位效果。同时，克服了自复位防屈曲支撑会随着地震加速度幅值增大而耗能能力减弱的缺点，本文提出的自复位耗能支撑在罕遇地震作用下，其对地震作用的控制幅度基本保持不变，没有明显下降，仍表现出优越的抗震性能。
参考文献（略）
