新型分阶段屈服型软钢阻尼器的试验研究及数值模拟

为弥补现有软钢阻尼器存在的不足,本文在耗能钢片的形状及组合规律方面加以改进,研发了一种剪切弯曲组合型分阶段屈服软钢阻尼器。采用试验和有限元模拟相结合的研究方法,探讨其基本性能和抗疲劳性能。试验结果显示这种阻尼器具有稳定的滞回性能和抗疲劳性能,表明了这种分阶段屈服型软钢阻尼器耗能效果明显,实现了两阶段屈服耗能机制,具有较好的减震效果,数值模拟结果与试验结果吻合良好。该型阻尼器构造简单,制作方便,可采用模块化组装设计方法,有广阔的工程应用前景。     

装配式阻尼器耗能板平面形状优化设计

针对传统矩形软钢阻尼器因焊接热应力和边角处的应力集中导致耗能效果较差的问题,本文设计了圆边缘型耗能板、三角边缘型耗能板和椭圆边缘型耗能板三种边缘型耗能板装配式阻尼器,并通过Abaqus有限元软件对耗能板平面形状进行优化设计,可为建筑的抗震设计提供借鉴。     

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。     

E型钢阻尼器数值仿真及试验研究

摘 要: 本文吸收国外的研究成果,应用高强度钢代替软钢设计了E型钢阻尼器。通过试验与数值仿真对该类阻尼器的滞回性能和恢复力模型进行了研究,表明Ｅ型钢阻尼器采用弹塑性材料模型在循环载荷作用下具有良好的耗能性能。通过本文分析说明该设计方法可以应用于高强度钢,降低了生产成本。
     

带端部阻尼器伸臂桁架的抗震性能试验研究

伸臂桁架是超高层建筑中的关键构件,改善其耗能能力对提升结构的抗震性能具有重要价值。该文在普通伸臂桁架拟静力试验研究基础上,进行了端部带阻尼器的伸臂桁架抗震性能的试验研究。研究结果表明,辅助装置是保证端部阻尼器剪切受力状态的必要构成,在端部设置的软钢阻尼器及摩擦阻尼器能够改善耗能能力,保护伸臂桁架杆件不受损伤。端部设置的摩擦阻尼器因为其刚度及强度可以解耦,具有较大的设计自由度,有利于工程中的应用和推广。该文进一步分析了在伸臂桁架中设置软钢阻尼器的可行性,结果表明由于在软钢阻尼器刚度和强度耦合,难以同时满足伸臂桁架刚度和强度的设计需求,因此在工程中的应用有待进一步研究。     

基于多目标拓扑优化的复合低屈服点钢阻尼器减震性能分析

鉴于传统低屈服点钢板阻尼器屈服点较高且不能调控的缺点,提出了由低屈服点钢板和普通钢板组合的复合低屈服点钢板阻尼器。提出包括边缘镂空、内部镂空和椭圆镂空等三种钢板阻尼器的新型镂空形式,并将"最大刚度"和"满应力状态"同时作为优化目标,通过交替优化方法对不同镂空形状进行拓扑优化,获得最优形状;对不同形式的复合钢板阻尼器进行有限元数值计算,计算结果表明内部优化模型阻尼器和边缘优化模型阻尼器初始刚度较大、滞回曲线饱满且无应力集中现象。对不同材料配比的两种优化模型阻尼器进行了数值模拟,验证提出的复合钢板阻尼器的屈服点具备可调性;对装有两种优化模型阻尼器的框架整体抗震减震能力进行了仿真分析,结果表明边缘优化模型阻尼器耗能能力更优越,适合应用。     

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。     

装有“双功能”软钢阻尼器框架结构振动台试验与分析

对装有“双功能”软钢阻尼器的框架结构进行了模拟地震振动台试验与分析,并采用有限元方法进行了振动台试验的数值计算,试验及有限元分析结果均表明,两种“双功能”软钢阻尼器对结构的位移反应均有较好的控制效果,实现了小震下为结构提供初始刚度,大震下消耗地震能的设计思想;从能量的角度分析了两种软钢阻尼器的耗能性能,结果表明,“双功能”软钢阻尼器可以耗散大部分地震动输入给结构的能量,降低结构损伤,是一种理想的消能装置。     

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.     

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。     

用于斜拉桥横向的新型油阻尼器减震性能研究

为解决斜拉桥横向塔-梁固结体系导致地震响应过大的问题,兼顾斜拉桥横向抗风、隔震需求,研制了一种刚度可变的新型油阻尼器。论述了新型油阻尼器的工作原理,建立其恢复力模型并通过单轴动力试验进行验证;以两座斜拉桥为例,对比了新型油阻尼器与已有两种金属阻尼器的减震性能。结果表明:所建恢复力模型可准确模拟新型油阻尼器的力学行为,新型油阻尼器活塞滑动前刚度较高,活塞滑动后刚度为0;与两种金属阻尼器相比,新型油阻尼器具有更低的等效刚度和更高的耗能能力,更大幅度降低两座斜拉桥的梁端位移与塔底弯矩。     

外挂墙板采用耗能连接钢框架结构抗震性能研究

提出一种适用于钢框架和整间外挂墙板间的耗能连接方式。为研究这一连接方式对钢框架抗震性能的影响,对两榀分别采用X型和U型钢板消能器作为耗能连接的钢框架和一榀作为对比的纯钢框架试件进行了拟静力试验研究,并对所采用的两种消能器进行了拟静力试验研究。结果表明：X型钢板消能器疲劳加载阶段发生核心板局部屈曲,最终核心板在根部发生疲劳断裂;U型钢板消能器整个加载过程中仅出现轻微裂纹,疲劳性能较好;两种消能器滞回环均较为饱满,均存在屈服后强化现象。由于核心板的薄膜效应,X型钢板消能器强化更明显;三榀钢框架试件的破坏模式相同,外挂墙板和耗能连接未改变钢框架本身的损伤机制;试件GKJ-1由于X型钢板消能器的薄膜效应,导致外挂板在加载后期受拉产生裂缝,且最终一侧螺栓被剪断而破坏;试件GKJ-2加载结束后消能器未出现任何破坏现象,外挂板也未发现任何破坏现象;采用耗能连接的外挂墙板对钢框架的初始刚度、承载力和耗能能力均有一定程度贡献。     

剪切型金属阻尼器恢复力模型研究

剪切型金属阻尼器在新建工程及结构抗震加固工程中已得到了较广泛的应用,其恢复力模型是进行整体结构非线性地震反应分析的基础。为了更准确地描述剪切型金属阻尼器的剪力-变形滞回关系,提出了一种考虑性能退化的新型恢复力模型。通过独立参数控制恢复力模型,以考虑剪切型金属阻尼器在大变形下的强度退化、刚度退化、耗能能力退化等特征。根据所提模型,采用C++语言开发了能够用于剪切型金属阻尼器抗震分析的计算程序,并将其嵌入到结构通用分析软件OpenSees中。使用该模型对现有钢连梁和钢板剪力墙两类剪切型金属阻尼器进行了模拟。结果表明:该文建立的恢复力模型能较准确地模拟试验结果,能够反映剪切型金属阻尼器包括大变形阶段在内的整个变形阶段的滞回性能。该模型可用于安装了剪切型金属阻尼器的整体结构非线性地震反应分析。     

新型粘滞-弹性阻尼器的力学性能试验与理论研究

研制开发了一种新型粘滞-弹性阻尼器,对DS1~DS8八种不同型号的粘滞-弹性阻尼器进行了低周循环加载试验和抗低周疲劳性能试验研究,研究了新型粘滞-弹性阻尼器的耗能性能、参数相关性能和抗低周疲劳性能,基于Kelvin模型建立了粘滞-弹性阻尼器的恢复力模型,并对该模型进行了验证分析。研究结果表明:粘滞-弹性阻尼器具有良好的耗能性能和抗低周疲劳性能,工作性能稳定、密封性好;基于Kelvin模型建立的粘滞-弹性阻尼器的恢复力模型能够很好地反映阻尼器的实际受力情况,理论与试验滞回曲线吻合性良好;阻尼器能够同时附加刚度和阻尼,并可兼作限位保护装置,在动力或静力荷载作用下均能发挥作用。     

分级屈服型金属阻尼器抗震性能研究

提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究,揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制,研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明,该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能,而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数,并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式,通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时,也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。     

新型连梁剪力墙结构拟静力试验研究

设计了两个足尺的单层双肢剪力墙试件,其中一个带有传统的钢筋混凝土连梁,另一个连梁中安装有改进的三角钢板阻尼器,通过拟静力试验研究两个试件的屈服破坏模式和抗震性能。研究结果表明:这种新型连梁的耗能能力和变形能力明显优于传统连梁,刚度和强度退化小于传统连梁;新型连梁的变形和耗能都集中在阻尼器中,混凝土连梁基本保持完好,阻尼器能够很好地控制结构的损伤,有利于实现连梁震后的可更换。