自复位变阻尼耗能支撑的力学原理与性能研究

为解决现有自复位支撑起滑力大的问题,提出了一种新型自复位变阻尼耗能支撑。支撑采用组合碟簧提供复位能力,通过构造设计实现磁流变液变阻尼耗能。对其变阻尼特性进行了分析,建立了描述其滞回特性的恢复力模型,提出了基于性能需求的支撑设计边界条件。对支撑整体和阻尼耗能装置磁场进行了模拟,结果表明,支撑具有饱满的类旗型滞回曲线,起滑力小、无残余变形、拉压对称,能够兼顾不同振动强度下的性能需求,有效控制结构振动响应。分析了支撑设计参数对滞回性能的影响,为提高复位与耗能能力,设计时组合碟簧预压力应略大于初始阻尼力,同时应增大组合碟簧刚度、提高最大阻尼力、减小变阻尼区间。与现有自复位支撑相比,起滑力大幅降低、起滑刚度比增加,在相同自复位装置设计下等效粘滞阻尼比与最大承载力也有较大提高。     

自复位全钢型防屈曲支撑的工作原理与滞回特性研究

该文提出一种新型自复位全钢型防屈曲支撑(SC-SBRB),主要由防屈曲耗能系统和预压组合碟簧自复位系统并联组成。对其基本构造和工作原理进行了介绍,建立了能够准确描述支撑滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS有限元软件建立了具有不同设计参数的4个SC-SBRB实体模型,研究了支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性及复位性能,并与恢复力模型计算结果进行了对比分析。结果表明,低周往复荷载作用下,SC-SBRB的滞回响应呈现稳定饱满的类“旗形”特征,建立的恢复力模型能够准确地预测支撑各阶段的力学性能。SC-SBRB的自复位性能随碟簧初始预压力的增大而逐渐得到发挥,残余变形同步减小。当复位率达到1.0时,支撑最大残余变形率为0.039%,复位性能和耗能能力匹配合理。     

装配式自复位耗能支撑恢复力模型与试验验证

提出一种装配式自复位耗能（ASCED）支撑,该支撑主要由核心杆、外管、摩擦耗能系统和碟簧复位系统组成。对ASCED支撑在低周往复荷载作用下的工作原理及力学性能进行了介绍,基于经典的Bouc-Wen模型建立了ASCED支撑的恢复力模型。设计并加工了一长为1.2 m的ASCED支撑试件,对其进行了拟静力试验,研究了支撑滞回特性、耗能能力、残余变形等性能。结果表明在低周往复荷载下支撑的摩擦耗能系统与碟簧复位系统能有效的共同工作,呈现出饱满的旗形滞回曲线,具有稳定的耗能能力和良好的自复位性能。恢复力模型计算得到的支撑滞回曲线与试验结果吻合较好,残余变形接近,表明所建立的恢复力模型能够准确描述ASCED支撑在低周往复荷载下的滞回特性及自复位性能。     

内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑性能试验及其恢复力模型研究

为解决防屈曲支撑在大震作用下产生较大残余变形的问题,该文提出了一种内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑,阐述了该支撑的构造和工作原理。该新型支撑由防屈曲耗能系统和自复位系统并联组成,通过控制碟簧预压力和核心单元屈服承载力的组合,可得到工程结构控制所需的滞回特性曲线。在此基础上,设计制作了3个不同工况的内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑,开展拟静力试验,分析其破坏特征,探讨了其残余位移和滞回耗能等特性,并建立其力-位移滞回关系恢复力分析模型。试验结果表明:内嵌碟簧型自复位防屈曲支撑不仅保留了防屈曲支撑稳定良好的耗能能力,而且能较好地控制残余变形,建立的恢复力分析模型与试验结果吻合较好,是一种有效地控制残余变形且性能稳定的结构减震元件。     

零初始索力自复位耗能器的工作性能分析

在结构中安装传统耗能器,能够获得较好的耗能效果,但地震时的耗散能量会使它变形过大而不能继续工作,在震后往往需要更换,修复成本较高;同时其构件也会发生不同程度的损伤,难以恢复到正常使用状态。针对普通耗能器的不足,设计了一种零初始索力自复位耗能器,它由传动装置、碟形弹簧复位装置和双剪型摩擦耗能装置组成。首先,介绍了复位装置和耗能装置的构造及该自复位耗能器工作原理,并建立其力学模型。其次,采用有限元软件ABAQUS建立该耗能器复位装置和耗能装置的有限元模型,对比分析俩装置的模拟滞回曲线与理论滞回曲线,结果表明模拟曲线与理论曲线吻合较好。恢复力曲线具有典型的胡克定律特征,表明该复位装置弹性较好,能够提供稳定的恢复力。然后,分别在4种工况下对摩擦耗能装置滑动摩擦力的理论值、模拟值及试验值进行对比分析,其滞回曲线具有典型的库伦摩擦定律特性,说明该耗能装置能够提供稳定的滑动摩擦力。最后,在位移加载下对该自复位耗能器的滞回曲线和骨架曲线进行对比分析,结果表明：该自复位耗能器具有较好的耗能性能与复位性能。零初始索力自复位耗能器结构简单,原理明确,性能优良,安装方便,适应性强,可在框架结构中推广使用。     

带自复位耗能支撑钢板剪力墙墙板受力性能研究

提出一种由自复位耗能支撑和两边梁连接墙板组成的带自复位耗能支撑钢板剪力墙,对其构造及滞回性能进行介绍。建立有效的有限元分析模型,对两边梁连接墙板在往复荷载作用下的受力性能、受压承载力及墙板对整体滞回的影响进行研究。结果表明,墙板滞回曲线存在捏缩现象,且墙板内产生的屈曲半波越多,捏缩越严重。墙板的平面外变形随宽高比的增大而增大,随高厚比的增大而减小,且受宽高比影响更大,在侧向力作用下,墙板内形成局部拉力带。建立了用于计算墙板内受压应力和受压承载力的公式,当支撑水平剩余恢复力大于墙板受压承载力时,带自复位耗能支撑钢板剪力墙在支撑恢复力的作用下具有很好的复位能力。     

酸雨环境下锈蚀RC剪力墙恢复力模型研究

出于酸雨环境下锈蚀RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,该文提出了酸雨环境下RC剪力墙宏观恢复力模型,通过对6榀锈蚀RC剪力墙拟静力试验结果进行回归分析,得到了考虑轴压比与钢筋锈蚀率影响的锈蚀RC剪力墙骨架曲线特征点荷载与位移修正系数计算公式,以循环退化速率来表征构件强度和刚度的退化,确定了基于循环耗能的循环退化指数β_i,并进一步建立了可考虑捏缩效应、屈服强度退化、峰值强度退化、卸载刚度退化及再加载刚度退化的锈蚀RC剪力墙滞回模型。与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到的各试件的骨架曲线、滞回曲线以及试件破坏时的累积耗能均与试验结果吻合较好,表明所建立的锈蚀RC剪力墙宏观恢复力模型能较为准确的反应酸雨环境下RC剪力墙结构的力学性能及抗震性能,可为该类结构的抗震性能评估提供理论参考。     

具有复位功能的钢筋混凝土剪力墙设计与性能研究

为减轻混凝土剪力墙墙脚处的严重破坏,提高混凝土结构延性并控制震后残余变形,提出一种具有复位功能的钢筋混凝土剪力墙。该自复位剪力墙（SC-SW）通过两侧墙脚设置的碟簧装置提供复位力,利用墙体自身变形耗散地震能量。基于相同的几何尺寸和配筋以及相似的加载规则,建立普通钢筋混凝土剪力墙SW1和自复位剪力墙SC-SW有限元模型,对比分析两者的承载能力,耗能能力及变形能力。结果表明,SC-SW的承载能力略高于SW1,累积滞回耗能大于SW1,并且SC-SW的延性性能相比SW1提高约40.95%。新型SC-SW墙脚处放置碟簧装置可提供必要的抗侧刚度减轻墙脚的破坏,并提供较好的复位能力,能基本消除构件的残余变形,使结构在地震后具有可恢复的功能。     

SMA弹簧—摩擦支座的滞回性能研究

研究一种新型形状记忆合金弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,SFB)的滞回性能。首先,研制了可用于SFB的大尺寸超弹性NiTi记忆合金(NiTi SMA)螺旋弹簧。在此基础上,加工制作了SFB试件实物模型,对其进行了拟静力试验研究。考察了竖向压力、位移幅值和加载频率对SFB恢复力-位移曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和等效动摩擦因数的影响。最后,将SMA螺旋弹簧恢复力模型和摩擦力模型相叠加,建立了SFB的恢复力模型,利用该模型进行了数值模拟。研究结果表明:SFB可提供饱满的滞回曲线,耗能能力较强,且具有一定的复位能力;数值结果与试验结果吻合较好,验证了SFB恢复力模型的正确性。     

近海大气环境下锈蚀RC框架梁恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能,对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验,分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果,得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线,并根据完好构件恢复力模型特征参数,得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法,得到基于滞回耗能的循环退化指数,通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明:随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显,滞回耗能逐渐降低;配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似;所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

内置碟簧自复位联肢剪力墙参数设计与滞回性能研究

为了减小结构的震后残余变形,有效地避免墙肢破坏,该文提出并设计了一种内置碟簧装置的自复位联肢剪力墙(SC-CSW)。SC-CSW主要通过碟簧装置中的摩擦耗散地震能量,碟簧提供恢复力。建立了预压小于摩擦的SC-CSW1、预压大于摩擦的SC-CSW2及普通联肢剪力墙的有限元模型,对比分析了三者的承载能力、变形能力、耗能能力和自复位能力,结果表明:加载位移达到弹塑性层间位移限值时,SC-CSW1的累积耗能比普通联肢剪力墙降低28.03%,但其延性比普通联肢剪力墙提高至少2.94倍,能更好的满足大震下的位移需求; SC-CSW2的累积耗能比SC-CSW1降低15.83%,但其承载力提高,且最大残余位移比仅为0.09%,基本消除了残余变形,能满足结构功能可恢复的需求。     

预压弹簧自恢复耗能支撑恢复力模型与滞回特性研究

为研究新型预压弹簧自恢复耗能支撑结构的自恢复性能和耗能性能,对预压弹簧自恢复耗能支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性进行了模拟研究,分析了自恢复耗能支撑旗形滞回曲线的特点,给出了支撑恢复力的计算方法,建立了基于Bouc-Wen模型的预压弹簧自恢复耗能支撑恢复力模型,并与ANSYS数值模拟结果进行了对比,结果表明建立的恢复力模型可准确模拟支撑在动力荷载作用下的力学性能。恢复力-位移曲线整体吻合程度较高,该恢复力模型对自恢复耗能支撑结构的设计及抗震性能研究具有较好的参考价值。     

内置碟簧自复位混凝土剪力墙基于性能的截面设计方法

内置碟簧自复位混凝土剪力墙主要由墙体及墙脚两侧的碟簧装置组成,碟簧装置具有较高的抗压能力,卸载后能恢复到变形前的状态,为墙体提供恢复力,减小结构的震后残余变形。为了较好地设计内置碟簧自复位混凝土剪力墙,该文提出基于性能的截面设计方法。定义了四水准下结构的性能目标和损伤状态,直接基于第三水准下的位移目标设计剪力墙截面尺寸,碟簧装置几何尺寸、承载能力和变形能力。根据自复位剪力墙截面的受力分析,推导其承载力理论计算公式,并对设计的内置碟簧自复位混凝土剪力墙进行弹塑性分析。结果表明,按该方法设计的自复位剪力墙具有较好的复位能力,墙体的损伤也得到有效控制,在位移角分别为0.5%和1%时,残余位移角仅分别为0.012%和0.022%,损伤指标分别为0.12和0.21,符合基于性能的设计目标。推导的理论计算公式能很好地评估剪力墙的承载能力,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。     

新型自复位变摩擦耗能装置理论研究与数值分析

提出一种兼具自复位、变摩擦和高耗能于一体的新型自复位变摩擦耗能装置,通过合理的构造措施,将SMA弹簧、摩擦材料和型钢集成一体,由SMA弹簧实现复位功能,变摩擦机构提供耗能作用,基于SMA力学特性和库伦摩擦理论建立该耗能装置的恢复力模型,并利用MATLAB对其力学性能进行数值分析。结果表明:所建立的恢复力模型能够较好地描述该耗能装置的力学特性,随着位移幅值的增加,其耗能能力逐渐增强,加载频率对其耗能能力影响不大,在应用中能够表现出稳定的耗能能力。     

全装配式自复位防屈曲支撑滞回模型及其性能试验研究

为减小防屈曲支撑的震后残余变形,降低结构的修复难度和成本,该文提出了一种采用组合碟簧实现复位的全装配式自复位防屈曲支撑,该新型支撑通过设置BRB系统承载力和SC系统预压力的比率,可有效控制滞回曲线的特性。文中阐述了该支撑的构造和工作原理,推导了循环加载下的理论滞回模型,并据此设计制作了3个不同组合的全装配式自复位防屈曲支撑,通过拟静力试验分析对比了残余变形和滞回耗能等特性,探讨了自复位效果和破坏模式。试验结果表明:新型全装配式自复位防屈曲支撑滞回曲线有明显的旗帜型特征,滞回性能稳定;组合碟簧自复位系统大幅减小了支撑的残余变形,复位效果明显;理论滞回模型与试验结果基本吻合,是一种十分有效的自复位减震阻尼器。