新型自复位变摩擦阻尼器力学性能研究

研制了一种新型自复位变摩擦阻尼器。该阻尼器由圆柱螺旋压缩弹簧和耗能摩擦单元串联而成,通过铣削钢板实现变摩擦力,并控制圆柱螺旋压缩弹簧的预压力大于摩擦单元的最大输出力,实现自复位功能。本文对该阻尼器进行了拉压循环力学试验,并分别研究了扭矩、位移幅值和加载频率对其滞回曲线和力学参数(单位循环耗能、割线刚度、和等效阻尼比)的影响。利用ABAQUS有限元分析软件建立了实体单元模型,并对其进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了试验结果的正确性。     

位移放大型摩擦阻尼器减震结构的抗震性能研究

为了确保在输入位移较小时,阻尼器仍能发挥良好的耗能能力,设计了一种基于齿轮传动的位移放大型摩擦阻尼器。对该阻尼器进行拉压循环力学试验,研究位移幅值对其滞回性能的影响,指出位移放大型摩擦阻尼器的滞回曲线饱满,其输出力是普通摩擦阻尼器的η倍(η是大齿轮与小齿轮直径之比),故耗能能力更强。以一六层规则钢框架结构为算例,计算无控结构、普通摩擦阻尼器减震结构和位移放大型摩擦阻尼器减震结构的地震响应,结果表明：与普通摩擦阻尼器相比,位移放大型摩擦阻尼器可更好地控制结构的层间位移角和顶点位移,但二者对结构基底剪力的控制效果接近。     

基于转动型摩擦阻尼器滞回性能试验研究

为研究转动型摩擦阻尼器在静力反复荷载作用下的滞回性能,对6个转动型摩擦阻尼器试件进行拟静力试验研究,分析其工作机理、滞回性能、耗能能力及摩擦系数等并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,与试验结果进行对比分析。研究结果表明:1)转动型摩擦阻尼器滞回曲线饱满,有较好的耗能能力;2)无石棉有机物摩擦力较为稳定,铝镁合金、铜锌合金阻尼器摩擦力离散性较大; 3)增大阻尼器高强螺栓预紧力、单元数可增大阻尼器摩擦力,有效提高摩擦阻尼器耗能能力; 4)铝镁合金耗能能力优于铜锌合金、无石棉有机物,无石棉有机物能量耗散稳定性优于铜锌合金、铝镁合金; 5)铜锌合金、铝镁合金摩擦系数大于0. 3,无石棉有机物摩擦系数约为0. 16; 6)有限元分析结果与试验值误差较小,有限元模型可以较好地模拟试验。     

木质变摩擦阻尼器滞回性能的试验研究与理论分析

基于对摩擦阻尼器材料及构造的改进,研制了一种木质变摩擦阻尼器。对9个不同参数的木质变摩擦阻尼器试件进行了低周反复荷载试验,研究了阻尼器的滞回性能,分析了摩擦块的坡度、螺栓预紧力等因素对阻尼器耗能性能的影响。根据木质变摩擦阻尼器的构造特点及工作原理,建立了其力学分析模型,确定了适用于该摩擦阻尼器的滞回规则和相应的滞回模型,并利用试验数据对滞回模型进行了验证。研究结果表明：木质变摩擦阻尼器的输出力在大变形时显著提升,滞回曲线较为饱满,具有分阶段耗能的特点,表现出稳定且良好的耗能性能;木质变摩擦阻尼器的耗能能力与木质摩擦块坡度和螺栓预紧力呈正相关。建立的滞回模型能较准确地反映木质变摩擦阻尼器的工作性能,理论与试验滞回曲线吻合较好。     

形状记忆合金复合摩擦阻尼器设计及试验研究

研制一种兼具自复位功能和高耗能的形状记忆合金复合摩擦阻尼器 (Hybrid Shape Memory Alloys Friction Damper,简写为HSMAFD),该阻尼器由超弹性形状记忆合金丝复位装置和摩擦耗能装置组成。制作了HSMAFD模型,并通过试验研究了HSMAFD在循环荷载作用下的力学性能,考察了初始应变、位移幅值、摩擦力和加载频率对其力学性能的影响。基于改进的Graesser & Cozzarelli模型和Bouc-Wen模型,分别建立复位装置和摩擦装置恢复力模型,并对其力学性能进行了数值模拟。研究结果表明：HSMAFD在循环荷载作用下具有稳定的滞回特性、良好的耗能和自复位能力,且其滞回和自恢复性能可以通过调节超弹性形状记忆合金丝的初始应变和摩擦力而改变;数值模拟结果和试验结果吻合较好,验证了恢复力模型的正确性。     

具有耗能时序的变摩擦自复位阻尼器滞回性能研究

综合形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）材料和摩擦机制的优点,提出了一种具有耗能时序的变摩擦自复位阻尼器（self-centering variable friction damper with energy-dissipation sequences,SVFDES）。首先说明了SVFDES的构造设计及变形模式,开展了SMA棒的循环拉伸试验研究以确定材料的力学参数。之后利用经试验验证的数值模拟方法建立了SVFDES的精细化有限元模型,通过参数分析识别并研究了影响该阻尼器滞回性能的关键参数。最后通过对阻尼器的隔离体进行受力分析,推导了阻尼器滞回行为的理论计算公式。结果表明：（1） SVFDES在往复荷载作用下兼具自复位能力和耗能能力,并且呈现出“变摩擦”、“变刚度”的特征;（2）阻尼器的滞回行为对摩擦副的几何构形、摩擦面的摩擦系数较为敏感,而与SMA元件的预紧力弱相关;（3）理论计算公式和数值模拟的结果较为吻合。     

SMA耗能阻尼器的连续刚度力学模型研究

基于大量SMA耗能阻尼器力学试验,根据阻尼器工作时刚度渐变的特点,提出了连续刚度力学模型,建立了SMA耗能阻尼器性能参数的简易计算公式,给出了相关参数的计算方法并分析了对SMA耗能阻尼器性能参数计算结果的影响。试验分析结果表明:1)连续刚度力学模型滞回曲线与试验滞回曲线相吻合,适用于SMA耗能阻尼器的力学研究;2)应用SMA耗能阻尼器性能参数简易公式计算的阻尼器性能参数值与试验值的误差小于7%。     

岩土材料弹性力学模型与计算方法

 岩土材料内摩擦性质是岩土的基本力学性质之一,无论岩土处于何种受力状态,都应考虑岩土体的内摩擦力。然而,至今只有岩土极限分析与塑性力学中考虑岩土体的内摩擦力,而在弹性理论与能量理论等诸方面均未体现。岩土体无论是处于塑性状态还是弹性状态,都存在着内摩擦力,为此建立岩土材料弹性力学的摩擦体力学单元。基于土体试验提出黏聚力先发挥,摩擦力随变形逐渐发挥,并假设摩擦因数与应变成正比,由此确定摩擦力的计算,最后仿效线弹性力学计算方法,但此时摩擦体的剪切模量G已非常数,从而形成摩擦体的非线性弹性力学计算方法。算例表明,按该方法计算出的弹性地基上的位移和剪应力小于传统方法计算出的位移和应力值,这比较符合实际情况,表明采用摩擦体力学单元对岩土材料是合适的。     

长孔螺栓摩擦阻尼器试验研究

本文主要针对长孔螺栓摩擦阻尼器进行了往复荷载作用下的试验研究,研究摩擦接触面材料、长孔宽度及有无碟形垫片对阻尼器工作性能的影响,设计了5个试件进行循环加载试验。结果表明:摩擦接触面为钢-钢接触时,摩擦力稳定性较差,使用黄铜板做摩擦材料时,阻尼器在多次往复荷载作用下摩擦力变化幅度较小,稳定性良好;长孔宽度较大容易产生高强螺栓预紧力的损失,在摩擦面上分布不均匀以及黄铜板翘曲变形等现象,长孔宽度小的试件在摩擦力的对称性上表现出更加优越的性能;碟形垫片的使用能有效地控制摩擦力的离散程度。     

基于摩擦-剪切耗能的斗栱有限元模型研究

以应县木塔中的典型斗栱为研究对象,依据试验模型的力学参数,通过对斗栱结构构造的简化,提出了基于摩擦-剪切耗能的有限元模型。该有限元模型采用三维实体单元构建,以空间牛腿结构的方式体现斗栱的构造连接和传递荷载的基本特征,在斗与栱的接触面设置摩擦接触对以实施构件摩擦-剪切耗能的基本功能。运用ANSYS软件构建了典型斗栱的有限元模型,并分别模拟了实体模型在竖向荷载以及竖向荷载与水平荷载共同作用下的试验过程。模拟分析结果表明,该有限元模型具有较好的摩擦-剪切模拟功能,可反映斗栱在竖向荷载和水平荷载共同作用下的力学特性。     

泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器性能试验研究

基于泡沫铝/聚氨酯复合材料（aluminum foam/polyurethane,简称AF/PU）是一种同时具有铝材料的摩擦性能和聚氨酯的黏弹性的复合材料,由此研制出一种能够发挥黏弹性阻尼器和摩擦阻尼器各自耗能特点的泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器（AF/PU摩擦阻尼器）,并对该阻尼器进行位移幅值、频率等相关性的性能试验和疲劳性能试验。以最大输出力、刚度和阻尼比为指标,研究该阻尼器的性能规律,采用修正的Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明：AF/PU摩擦阻尼器的滞回曲线饱满,具有较高且稳定的阻尼比。该阻尼器的力学性能随位移幅值和循环次数的增加而呈现分阶段性,但是加载频率的影响却较小,该阻尼器是一种典型位移幅值相关的变刚度摩擦阻尼器。修正的Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果二者吻合良好。     

大尺寸超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧滞回性能

利用2种镍钛形状记忆合金(SMA)研制了大尺寸超弹性螺旋弹簧,对其进行了单轴反复荷载作用下的滞回性能试验,研究了超弹性SMA螺旋弹簧的恢复力特性与耗能能力,分析了加载频率、位移幅值对2种SMA螺旋弹簧滞回曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移等力学性能参数的影响;采用刚弹性模型和Bouc-Wen模型,建立了适用于整体结构分析的SMA螺旋弹簧简化恢复力模型,并利用该模型进行了数值模拟。结果表明:超弹性SMA螺旋弹簧具有稳定的滞回曲线,且具有良好的复位性能和大变形能力,可用于结构自复位控制装置的研发;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化恢复力模型的正确性。     

自复位SMA支撑的滞回性能与简化力学模型

基于形状记忆合金（SMA）的超弹性和扩孔型螺栓连接的低摩擦滑移性能,提出一种自复位SMA支撑,主要由四块钢板、两个滑移螺杆、SMA丝材、丁基橡胶垫片、固定钢垫片和滑移钢垫片组成。对四个考虑不同SMA面积和滑移螺杆预拉力的自复位SMA支撑进行低周往复荷载试验,研究其滞回性能和耗能能力。采用ANSYS软件建立有限元模型,并通过试验数据对其进行验证,结果吻合良好。对9个考虑不同SMA面积、摩擦系数、SMA长度和螺杆预拉力的模型进行分析。结果表明：增大SMA面积可提高支撑的承载力和耗能能力、减小残余变形,增大摩擦系数和滑移螺杆预拉力可提高支撑的承载力、耗能能力和残余变形,增大SMA长度对支撑性能无明显影响。对比有限元与简化力学模型计算结果表明,两者的抗滑移承载力、最大恢复力和残余变形最大误差仅为6.89%、7.01%和5.60%,验证了该简化力学模型的准确性。     

SMA阻尼器设计及框架结构地震反应控制分析

采用SMA(Shape Memory Alloy)旗帜型恢复力模型,深入分析了预变形、超弹性拉伸位移、刚度和长度4个参数对SMA阻尼器耗能系数的影响规律;分别建立了预变形、拉伸位移与耗能系数的关系式,并提出SMA阻尼器刚度和长度的确定方法.在分析结果的基础上,设计了一种新型超弹性SMA阻尼器.为了验证SMA阻尼器的减震...     

电磁耗能减震器及其在工程中应用

分析了耗能减震器的研究现状和发展,指出了现有摩擦耗能器的不足。在已有研究基础上,对原有电磁摩擦耗能器进行了改进,得到了一种受力特性良好并且可应用于实际结构工程的摩擦耗能器。根据力与位移的关系,建立了电磁摩擦耗能体系的恢复力模型。通过能量法得出了耗能减震体系的能量方程,给出了设计耗能减震体系的设计方法和公式,为其在结构工程中的应用提供了理论基础。     

自复位单向摩擦阻尼器梁桥数值#br# 模拟及混合试验

传统梁桥在地震作用下,支座容易产生较大的残余变形。针对这一问题提出将传统梁桥支座替换为聚四氟乙烯滑板支座,并在主梁和盖梁之间安装自复位单向摩擦阻尼器,形成自复位单向摩擦阻尼器梁桥。首先,将有预加力的自复位单向摩擦阻尼器等效为一个无预加力的阻尼器单元和一个无耗能能力的双线性弹簧单元组成的并联体系,采用OpenSees模拟其本构关系。进一步,以一4跨自复位单向摩擦阻尼器连续梁桥为对象,对其进行地震动记录输入下的动力分析,同时,将桥梁1#墩的阻尼器和支座作为试验子结构,其他部分作为数值子结构进行混合试验,考察地震作用下的桥梁位移和内力响应。数值分析和混合试验的结果对比表明：文章对阻尼器的等效处理是合理的且自复位单向摩擦阻尼器梁桥具有良好的隔震和自复位能力。     

不锈钢复合芯板剪切型摩擦消能器试验研究

为了解决传统摩擦消能器性能不稳定、价格昂贵等问题,研发了一种以双面不锈钢复合钢板为芯板的剪切型摩擦消能器。该消能器由复合钢板的不锈钢复层与石棉摩擦片组成耗能摩擦副,通过碟形弹簧和预压螺栓调节滑动摩擦面承受的面压力。提出了消能器极限位移、极限荷载和面压力等试验关键指标的计算方法。对3个消能器进行低周往复加载试验,考察其滞回曲线、耗能能力、极限破坏特征及疲劳性能。结果表明：采用不锈钢复合芯板的剪切型摩擦消能器构造合理,滞回性能稳定,耗能能力良好,抗疲劳性能优异。设计位移幅值下累积加载90次,消能器承载力不下降,滞回性能稳定。低周疲劳作用下芯板不同材质复合界面性能可靠,不锈钢复合板可用作摩擦消能器的芯板。     

Modelling of a self-centring damper and its application in structural control

A self-centring SMA damper which shows no residual deformation and moderate energy dissipating capacity is appealing in its potential for seismic design application. The damper examined in this study consists of a re-centring components group and an energy dissipating components group. By using the Bouc-Wen model to describe the energy dissipating group and rigid-elastic model to represent the re-centring group, a new method for the mathematical modelling of the damper has been developed. To validate the feasibility of the proposed SMA damper model, numerical analyses of the damper under sine wave excitations were conducted by programming in the Matlab/Simulink environment. The simulation results of the proposed mathematical model of the SMA damper compare well with those based on a material constitutive model. Furthermore, the SMA damper was applied to two case studies of steel frames under earthquake acceleration excitations and the corresponding time-history analyses were implemented in Matlab/Simulink environment by using the proposed damper model. The results show that the damper is capable of mitigating both floor displacement amplitude and inter-storey drift. For the first floor of the controlled frames in the two case studies, inter-storey drift reductions of 33% and 35%, respectively, were observed in comparison with those of the uncontrolled frames. The results also indicate that the controlled frames vibrate around their initial position, and that there is no residual deformation of the SMA damper.     

超弹性形状记忆合金丝(NiTi)力学性能的试验研究

从土木工程振动控制的角度出发 ,通过NiTi形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验 ,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律 ,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。试验和分析结果表明 ,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力 ,可满足土木工程结构振动控制的需要。