新型软钢阻尼器的减震性能研究

提出了设计软钢阻尼器的新思路：利用钢板平面内受力提高初始刚度，并通过改变钢板平面几何形状增加变形耗能能力。通过对具有不同几何形状的软钢阻尼器模型进行拟静力往复加载试验研究，验证了此种软钢阻尼器具有良好的塑性耗能性能。数值计算表明，在地震动作用下装有新型软钢阻尼器框架体系具有良好的减震效果。     

内嵌钢板及边缘框架相互作用对带连梁低屈服点钢板剪力墙结构受力性能的影响

为满足快速发展的高层建筑结构对抗震性能及空间灵活性的要求,将高耗能能力、高延性的低屈服点钢材与带连梁钢板剪力墙组合成新型带连梁低屈服点钢板剪力墙结构体系。采用有限元软件ABAQUS建立带连梁钢板剪力墙结构模型,结合国内外已有的典型试验结果验证数值方法的有效性。在此基础上,设计5个不同耦合度的低屈服点钢板剪力墙结构模型进行单调和循环加载,对比分析其损伤机制、承载性能及滞回耗能能力,探讨内嵌钢板与边缘框架的相互作用对结构及构件受力性能的影响,给出设计建议。结果表明:带连梁低屈服点钢板剪力墙结构内嵌钢板与边缘框架相互作用能够有效提高整体结构承载力、承载效率以及耗能能力。综合考虑材料利用率、承载能力及耗能能力,建议连梁耦合度控制在0.45以内。随着连梁耦合度的提高,边缘框架分担剪力多至60%,内部框架柱的轴力显著减小,连梁转角不断减小。因此,在带连梁低屈服点钢板剪力墙结构设计过程中应充分考虑内嵌钢板与边缘框架的相互作用,适当减小内嵌钢板设计厚度及边缘框架截面尺寸,提高材料利用率及设计经济性。同时,与纯框架抗侧性能相比,内嵌钢板与边缘框架的相互作用有效提高了边缘框架的初始抗侧刚度及承载力。     

不同改进形式钢板剪力墙滞回性能研究

钢板剪力墙的构造形式能够改善结构破坏模式、提高耗能能力及延性。为了系统全面地对比不同改进构造形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,利用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元数值模型,采用国内外已有拟静力试验,验证数值分析手段能够真实地预测结构的受力行为。通过建立8种不同改进形式的钢板剪力墙模型,对承载性能、滞回性能、退化特性、断裂性能、破坏形态以及耗能能力等问题进行对比分析,探讨不同改进形式钢板剪力墙的延性、平面外变形、拉力场对柱子影响等关键问题,为工程应用提供参考依据。分析结果表明:通过改变结构的构造形式,能够有效改善结构的滞回性能;在高烈度区需要综合考虑抗震性能、延性、破坏形态、建筑要求以及经济指标选取合适的钢板剪力墙改进构造形式;低屈服点钢板剪力墙由于其材料的特殊性,承载效率较高,耗能能力强,延性优势突出,但需要通过一定的措施抑制提早屈曲,提高侧向刚度。     

O型钢板-高阻尼黏弹性复合型消能器的力学性能试验与分析

提出了一种由O型钢板金属阻尼器与高阻尼黏弹性阻尼器并联而成的复合型消能器,阐述了其构造形式和工作机理,对其进行了低周反复加载试验。研究结果表明:复合型消能器具有较强的变形能力和饱满的滞回曲线;其力学性能稳定,受加载频率影响较小;该消能器兼具位移型阻尼器与速度型阻尼器的优点,小变形时,黏弹性阻尼器发挥主要的耗能作用,O型钢板金属阻尼器提供一定的附加刚度,大变形时,二者共同耗能;相比单一类型的消能器,该复合型消能器提高了阻尼力和抗震安全储备;采用Bouc-Wen模型建立了该消能器的力学模型,计算结果与试验结果吻合较好。     

轴力作用下剪切钢板阻尼器力学性能试验研究

该文通过5个拟静力试验检验了普通型剪切钢板阻尼器和形状优化型剪切钢板阻尼器的力学性能,分析了形状优化以及轴力对阻尼器力学性能的影响。试验结果表明:阻尼器设计公式计算值与试验结果吻合较好;阻尼器的腹板形状经过优化后,极限位移角增加33%,耗能区域由四角转移至中部,应力和应变集中现象得到明显改善,有效降低了夹持连接部位钢板的断裂损伤发生概率;与设计值相比,轴力可提高阻尼器的屈服承载力但使刚度有所下降;基于装配式思想设计的全螺栓连接阻尼器易于更换,较传统焊接的连接方式避免了焊接应力的不利影响,大幅度减少了修复时间与成本。     

装配式耗能减震节点连接中削弱型约束钢板阻尼器滞回性能试验

为解决装配式框架节点与连接的抗震能力不足、震损后难修复等问题,提出一种新型装配式耗能减震节点连接,对其关键耗能减震部件-可更换削弱型约束钢板阻尼器进行低周往复加载试验,考察其承载能力、耗能能力、刚度退化与延性等滞回性能,揭示阻尼器的失效破坏机制,分析开孔削弱形式、削弱长度、钢板厚度以及约束套筒与削弱钢板的间隙等对阻尼器力学性能的影响。结果表明:可更换削弱型约束钢板阻尼器在削弱截面部位开裂或断裂,实现了阻尼器的塑性耗能与失效模式可控,具备良好的承载-耗能双重功能。在相同参数条件下狗骨削弱型约束钢板阻尼器的承载能力、耗能能力与延性性能优于竖缝开孔削弱型约束钢板阻尼器。削弱长度对延性与钢板侧向屈曲性能影响较大,钢板厚度对承载能力与刚度退化性能影响较大,而约束套筒与钢板间隙较大时,约束套筒不能有效发挥作用,易导致削弱钢板发生受压屈曲。     

超弹性SMA复合阻尼器的计算模型及参数分析

介绍了超弹性SMA复合阻尼器的构造及工作原理,并根据它的受力特性,建立了该阻尼器的力学计算模型,针对模型中的关键参数:阻尼器内滑条槽深与接触面摩擦系数、SMA丝的预应变及缠绕量、环境温度及位移幅值等对阻尼器力学性能的影响规律进行了分析。分析结果表明:阻尼器的初始刚度、输出力和滞回面积随内滑条槽深、SMA丝缠绕量、接触面的摩擦系数的增加而增加;在不同的位移幅值下,阻尼器的荷载-位移曲线形状分别呈三角形、四边形和五边形等多边形形式,表现为变刚度的特性;阻尼器的屈服位移和输出力随环境温度的升高而线性增加;当对SMA丝施加一定的初始预应变,SMA复合阻尼器表现为摩擦型阻尼器。最后,将模型结果与实验结果进行了对比,两者基本吻合。     

拉压型阻尼器的复合刚度和能量耗损因子

本文从轴向振动的运动方程出发，推导了任意边界条件下三对称粘弹性层拉压型阻尼器的复合刚度和耗能因子的计算公式，对工程上常用的一种阻尼器形式的复合刚度和耗能因子进行了计算，并对其结果进行了分析讨论。     

国产低屈服点钢材循环加载试验研究

为研究不同荷载作用下国产低屈服点钢的材料力学行为,对LY100、LY160及LY225钢材共46个试件进行了单调拉伸试验及12种不同加载制度的循环加载试验。对国产低屈服点钢的单调性能、滞回性能、破坏形式、延性特征等进行了分析,并与其他结构钢材的力学性能进行了对比。结果表明,低屈服点钢在循环荷载作用下有明显循环强化现象,塑性变形能力强,且与普通钢材相比延性及耗能能力突出。该试验结果为后续研究低屈服点钢本构模型提供基础。     

粘弹性阻尼器在结构减震控制中的位置优化研究

提出一种粘弹性阻尼器优化设置的新型优化数学模型,同时考虑了地震作用下的三种结构控制指标.首先假定优化模型的五种加权系数组合,在阻尼器数量一定的前提下,利用遗传算法对不同形式的结构在四类场地条件地震动作用下的粘弹性阻尼器进行位置优化.然后引入两个性能评价指标,对五种系数组合情况时阻尼器最优布置下的结构反应进行分析研究,使阻尼器布置方案能体现综合控制效果上的最优,得到不同情况下加权系数的建议取值组合.数值算例验证了新模型的有效性,最后,对粘弹性阻尼器优化布置方面提出几点有意义的结论.     

变截面软钢剪切阻尼器试验研究

普通软钢剪切屈服阻尼器的低周疲劳破坏常发生在加劲肋焊缝热影响区。为了提高软钢剪切阻尼器的低周疲劳性能,相关研究提出了耗能区域无焊缝的变截面软钢剪切阻尼器,并对其进行了形状优化。该文根据该优化结果,设计了5个变截面软钢剪切阻尼器试件并进行了拟静力试验研究。试验中考察了不同宽度和高度的阻尼器在往复荷载下的力学性能。试验结果显示,试件出现了不同程度的面外屈曲,屈曲程度与耗能板高度和宽度相关。在ABAQUS中建立了该阻尼器的有限元模型,并利用该有限元模型对试验结果进行了补充。根据试验与有限元计算结果,提出了该软钢剪切阻尼器屈服位移,屈服承载力以及面外变形的计算公式。     

钢板剪力墙约束边缘构件与内嵌钢板刚度匹配关系研究

为了研究波形钢板剪力墙的力学性能和耗能能力,设计了3个钢板剪力墙试件并进行了拟静力试验。试验结果表明,波形钢板剪力墙的滞回性能、承载能力和延性均优于平钢板剪力墙,且横向波形钢板的力学性能最优;同时分析试验的破坏形态发现,3个试件均是由于约束边缘构件H型钢柱刚度不足,导致试件发生失稳破坏,未能充分发挥内嵌钢板的力学性能;为了明确约束边缘构件与内嵌钢板刚度匹配关系,通过ABAQUS有限元分析软件建立12个模型进行数值分析,其中3个模型的几何参数与试验试件保持一致。对比数值分析结果和试验结果得出:有限元分析结果和试验结果吻合度较高;其余9个模型通过改变H型钢柱的翼缘宽厚比的方法,来改变H型钢柱与内嵌钢板的刚度匹配关系。分析结果表明,H型钢柱的翼缘宽厚比为13.9时,约束边缘构件与内嵌钢板的刚度匹配最优。     

多块混凝土板拼装组合钢板剪力墙试验与有限元参数影响研究

对竖向拼装组合钢板剪力墙、横向拼装组合钢板剪力墙及传统组合钢板剪力墙开展拟静力试验,对比分析各试件破坏特征、滞回性能、耗能能力、刚度退化及位移延性,采用ABAQUS软件建立数值模型并针对不同拼缝宽度、螺栓距厚比和混凝土板厚度的竖向拼装组合钢板剪力墙进行了参数影响研究。结果表明:混凝土板分块布置会一定程度地降低其耗能能力和抗侧刚度,但可以减少内藏钢板对边缘框架柱产生附加弯矩的不利影响;竖向拼装组合钢板剪力墙是一种抗震性能更为优越的抗侧力构件,竖向拼装组合钢板剪力墙的耗能能力是横向拼装组合钢板剪力墙的1.3倍,且竖向拼装组合钢板剪力墙刚度退化相对缓慢;为保证组合钢板剪力墙具有较好的抗侧能力,螺栓距厚比为100和125时,其拼缝宽度分别不宜大于48 mm和72 mm;混凝土板约束刚度足够情况下,螺栓距厚比不宜大于125。     

滚轴式金属屈服耗能阻尼器数值模拟研究

桥梁用阻尼器通常吨位和变形需求巨大, 普通金属屈服耗能阻尼器难以满足其性能要求. 为此该文提出一种新型的滚轴式金属屈服耗能阻尼器, 并对其进行数值模拟研究. 该阻尼器由一块平直耗能钢板及一组可转动辊轴组成, 耗能钢板在辊轴之间穿过, 受辊轴挤压产生塑性变形, 从而耗散地震能量. 该文采用在大型通用有限元软件ABAQUS建立了滚轴阻尼器的模型, 通过该模型研究了辊轴个数以及辊轴间隙对阻尼器耗能性能的影响. 分析结果表明:该阻尼器耗能性能受辊轴间隙和辊轴个数控制, 通过合理的设计可以保证滚轴式金属屈服耗能阻尼器具备优良的变形能力和耗能能力. 该文还提出了该阻尼器的恢复力计算公式, 结合有限元仿真结果对计算公式进行了修正.     

位移型消能器在结构减震控制中的位置优化研究

提出一种位移型消能器优化布置的新型数学模型,考虑了地震作用下三种不同的结构控制指标。首先,通过试算给定新型优化模型的五种加权系数组合;然后,在阻尼器数量一定的前提下,利用遗传算法对不同形式的结构在四类场地条件地震动作用下的阻尼器进行优化布置研究;最后,按照基于新模型中不同系数组合情况获得的阻尼器优化结果,进行三种有控结构在不同类型场地条件下的时程反应分析,得到目标函数中加权系数最佳取值组合,体现综合控制效果上的最优。数值算例验证了新模型的有效性,给出可以指导消能器优化布置方面的经验性结论。     

铅黏弹性阻尼器增强钢管约束钢筋混凝土柱节点抗震性能研究

针对钢管约束钢筋混凝土(steel tubed reinforced concrete, STRC)柱节点抗震性能薄弱的现状,提出采用改良的铅黏弹性阻尼器进行增强。基于ABAQUS工作平台对铅黏弹性阻尼器试件建立有限元模型,将数值计算所得滞回和骨架曲线、耗能性能及疲劳性能与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上探讨了铅芯直径、铅芯布置形式及复合黏弹性体厚度比值对铅黏弹性阻尼器力学性能的影响。结果表明：相较于扇形铅黏弹性阻尼器,改良后的四边形铅黏弹性阻尼器表现出更好的力学性能;随着铅芯直径的增大,阻尼器的耗能能力指标均得到大幅提高;建议铅芯个数取2个,铅芯面积与复合黏弹性层面积比值取6%～8%,复合黏弹性体厚度比值约为0.67。建立不同布置方案的铅黏弹性阻尼器增强STRC柱节点试件模型,对其破坏形态、滞回特性和箍筋应力进行对比分析,给出合理的布置方案,为实际工程提供参考。     

基于齿轮机构的SMA-摩擦阻尼器试验研究及数值模拟EI北大核心CSCD

基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点,提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器,并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验,考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律;分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验,得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律;建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明:所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大,性能更稳定;新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力,可实现大行程设计;利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好,验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。     

一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究

利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力.提出了一种新型的SMA阻尼器,试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能,并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟.研究结果表明:该新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线,具有良好的耗能能力和自复位能力;阻尼器的性能可通过调节超弹性SMA丝的初始应变而改变,以满足工程的需要;动力荷载(0.5～2 Hz)频率对阻尼器的耗能能力和等效阻尼比影响不大,而恢复力和割线刚度随频率增加而略微增大;数值模拟结果和试验结果吻合较好,建立的理论模型可以对SMA阻尼器进行理论分析.     

螺旋式钢阻尼器耗能性能研究EI北大核心CSCD

针对地震作用多向性和随机性的特点,提出了一种具有水平双向耗能功能的螺旋式钢阻尼器。该阻尼器由圆钢弯制成螺旋形状,水平安装在墩顶与梁底之间。基于刚臂法和力法方程,推导了该种阻尼器的承载力计算公式,并采用拟静力循环加载试验研究了阻尼器的滞回性能和低周疲劳寿命。将有限元计算结果分别与理论和试验结果进行了对比。最后研究了螺旋距离、圆钢半径和螺旋半径3个主要形状参数对阻尼器耗能能力的影响。结果表明:螺旋阻尼器的滞回曲线稳定且饱满,具有良好的耗能能力和双向力学行为。     

基于人工鱼群算法的位移型阻尼器位置和参数的优化方法

对耗能减震结构中,阻尼器参数和位置决定着结构的减震效果。基于人工鱼群算法提出一种针对位移型阻尼器优化设计的人工鱼群优化模型,模型面向以有限元模型表示的多维多自由度实际结构,对各层位移型阻尼器的位置和参数进行优化。针对结构中添加位移型阻尼器会使结构层剪力增大的问题,提出一种同时考虑结构各楼层层间位移角、各楼层加速度和层剪力变化的优化目标函数,同时利用均方根的形式更加有效的反应各响应在地震波峰值段的变化特性。结构减震控制优化设计时可根据结构的不同设计需求修正目标函数的加权系数。最后,通过数值算例验证本文优化模型的有效性。