基于高强钢环簧的摩擦耗能自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

可恢复功能结构是目前地震工程研究的热点,也是未来发展趋势,以可恢复功能结构为背景,提出了基于高强钢环簧摩擦耗能的自复位消能减震阻尼器,分析了阻尼器的工作原理并给出了构造方案。通过低周往复加载试验考察多次序列地震作用下阻尼器的抗震性能。试验结果表明：采用高强钢环簧的自复位消能减震阻尼器变形能力可调节、自复位性能优良;滞回性能稳定,具有良好的抗震可恢复性;环簧锥形摩擦面处理工艺对阻尼器自复位性能与耗能能力会产生一定影响,当摩擦系数增大时,自复位性能有所降低,但耗能能力增大;所提出的阻尼器理论刚度预测公式计算结果与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

自复位黏滞阻尼器的构造设计与抗震韧性提升

为提高建筑结构抗震韧性，提出了一种将环簧阻尼器和黏滞阻尼器并联的自复位黏滞阻尼器构造，分析其工作原理，在元件和构件层次分别进行了静力和动力试验研究。试验结果表明：自复位黏滞阻尼器构造合理，在不同振动频率下表现出良好的自复位能力与无损伤耗能能力。采用基于性能的塑性设计方法，设计了屈曲约束支撑钢框架、自复位环簧支撑钢框架和自复位黏滞阻尼支撑钢框架，对比分析不同结构体系的地震响应。分析结果表明：基于性能的塑性设计方法可以实现自复位黏滞阻尼支撑钢框架的性能目标；在一致的性能目标下，自复位黏滞阻尼支撑钢框架相比自复位环簧支撑钢框架具有更低的承载力需求，降低了结构用钢量，同时降低了楼层加速度响应，减少非结构构件损失；相比屈曲约束支撑钢框架，具有与之相当的消能减震效果，同时能够有效地控制结构残余变形，进而提高结构的抗震韧性。     

中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架数值模拟

装配式自复位钢框架具有震后结构自动复位、结构残余变形及损伤较小、可以恢复结构正常使用功能等优势。但是当装配式自复位钢框架跨度较大时,常因刚度不足导致其层间位移角不能满足抗震设计规范限值要求。为此,提出了中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架,在拟动力试验研究基础上,通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并与试验结果进行对比分析;在数值模拟校验的基础上,通过有限元分析研究了施加竖向活荷载对中间柱型阻尼器工作机制的影响。研究结果表明：数值模拟与子结构拟动力试验结果在结构位移峰值、滞回性能、索力变化等方面吻合较好,数值模拟方法可靠;中间柱型阻尼器可提高框架结构的抗侧刚度,有效控制结构层间位移角,同时提高结构耗能能力,延缓主体结构塑性发展进而保护主体结构,减小结构残余变形并控制损伤;中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架具有良好的自复位能力,竖向活荷载对中间柱型阻尼器滞回性能及耗能能力影响不大。     

自复位黏滞阻尼器抗震性能研究

工程中消能减震技术采用的消能装置种类众多,大部分具有良好的耗能能力,在提升建筑结构抗震性能中被广泛使用。现今研究表明震后残余位移对结构的修复使用具有重要意义,因此如何有效减小震后残余位移成为工程界强烈关注的问题。相较于普通阻尼器,1种具有自复位能力的阻尼器成为新方向。以1幢6层混凝土框架结构为例,安装1种新型的自复位黏滞阻尼器,在有限元软件Open Sees中进行模拟计算,分析单参数指标和多参数指标进行抗震性能分析。研究结果表明,自复位黏滞阻尼器不仅可以有效耗散地震能量,降低结构地震响应,提高结构的抗震性能,而且可以依靠阻尼器旗帜型的滞回曲线为结构提供回复力,高效地减小结构的残余位移,甚至可以消除残余位移,为震后结构正常使用提供了保障,同时表明残余位移对于评估自复位黏滞阻尼器在框架减震作用中具有重要意义。     

新型Zn-22Al合金阻尼器的减震性能分析

根据Zn-22Al合金板平面内受力可提高初始刚度,通过改变合金板平面几何形状来提高屈服耗能能力的思想,提出一种可通过同时产生弯曲变形和剪切变形来实现耗能的新型Zn-22Al合金阻尼器,并利用有限元软件ANSYS对其进行数值模拟分析,计算结果表明这种阻尼器初始刚度较大,滞回曲线饱满、耗能效果好。在此基础上,对安装与未安装该种阻尼器的钢框架结构进行多遇和罕遇地震作用下的动力有限元模拟计算,从位移反应、加速度反应、层间位移角、柱底剪力4个方面对上述2种框架结构的计算结果进行比较分析,结果表明该阻尼器对结构具有明显的减震效果,是一种有效的耗能减震装置。     

形状记忆合金-摩擦复合阻尼器力学性能研究

提出一种新型形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）-摩擦复合阻尼器。该阻尼器由超弹性SMA单元和高耗能摩擦单元串联而成,通过控制摩擦单元的摩擦力大于SMA单元的最大输出力,可实现自动调节耗能单元工作状态的功能,即：较小荷载作用下,仅SMA单元工作,消耗能量少,具有自复位功能;较大荷载作用下,SMA单元和摩擦单元依次工作,消耗大量能量,具有一定的变形回复能力。对阻尼器进行拉压循环力学试验,研究了位移幅值、加载频率和扭矩对其输出力-位移曲线以及摩擦力、割线刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比、残余位移等力学参数的影响。将基于Graesser本构模型基础上的SMA单元力学模型和摩擦单元的理想刚塑性模型串联,建立了阻尼器的力学模型;数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了该力学模型的正确性。     

基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器力学性能计算方法与验证

为进一步明确基于开孔钢板拉压屈服的新型耗能阻尼器力学性能,使其能更好地应用于工程,开展了力学性能计算方法的推导与验证研究。根据耗能核心钢板的构造形式以及轴向变形叠加原理,推导出了阻尼器初始刚度、屈服荷载和屈服位移的计算公式。考虑耗能核心钢板的主要构造参数(包括核心钢板厚度、开孔段长度、过渡段长度等)的变化,收集了2个试验试件,并设计了9个用于有限元分析的阻尼器模型。通过有限元建模,得到上述9个耗能阻尼器的力学性能分析结果。利用这些试验结果和有限元模型结果,对本文所提出的计算方法进行验证。结果表明：(1)耗能核心钢板考虑其一定比例的有效高度为初始几何缺陷时,可较为准确模拟阻尼器受力性能,得到的有限元与试验结果误差较小;(2)提出的耗能阻尼器力学性能计算公式较为准确,其中阻尼器初始刚度、屈服荷载、屈服位移理论值与有限元模拟值和试验值的误差较小。     

双向耗能钢板-形状记忆合金丝阻尼器性能有限元分析

提出了一种双向耗能钢板-形状记忆合金（SSMA）丝阻尼器,用于解决传统钢板阻尼器塑性变形不可恢复的问题。该阻尼器是一种结合了耗能钢板和超弹性SMA丝的复合阻尼器,结合了两种耗能机制,具有双向耗能能力和可恢复性,其性能优于传统单一类型的钢板阻尼器和SMA丝阻尼器。编写了Ni-Ti超弹性SMA丝的本构关系子程序并将该子程序与ABAQUS软件进行对接;利用ABAQUS有限元软件对未附加SMA丝的钢板阻尼器和SMA丝组分别进行模拟,SMA本构模型为双旗型本构模型;然后,对复合阻尼器SSMA进行模拟分析,深入研究SSMA的力学性能并给出其恢复力模型与设计建议。有限元分析结果表明,复合阻尼器SSMA具有饱满的滞回曲线、良好的耗能能力和良好的可恢复性。     

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。     

装配U形阻尼器的SMA自复位钢框架梁柱节点抗震性能研究

为解决传统SMA螺杆自复位钢框架梁柱节点在工作过程中SMA材料利用率低的问题,简化节点耗能构件的设计、施工和震后更换,提高灾后结构的快速恢复能力,提出了由超弹性SMA螺杆贯穿钢柱翼缘连接且装配U形阻尼器的自复位钢框架梁柱节点,并对关键构件的受力性能进行分析,给出节点的受力变形理论模型。通过循环拉伸试验考察了SMA棒材的超弹性特性,以此为基础,设计了1个足尺边柱节点试件,通过拟静力试验研究其承载力、初始转动刚度、残余变形、滞回耗能等。研究结果表明：节点中SMA螺杆可以有效拉伸变形并提供自复位驱动力,U形阻尼器的两肢能够产生相对位移从而进行塑性耗能,钢梁腹板处的抗剪螺栓可在连接槽钢的长圆孔中滑动,梁柱节点核心区未出现剪切变形;在设计层间位移角为0.04 rad的循环结束时,节点残余变形仅为0.004 9 rad,且梁柱构件在试验过程中未出现屈服,节点具有良好的自复位能力和可修复性;节点的初始转动刚度和极限弯矩均小于普通抗弯钢框架梁柱节点,但其拥有良好的转动能力,最大层间位移角为0.05 rad,满足节点的变形设计要求。     

带耗能钢板的自复位方钢管混凝土框架抗震性能研究

为了减小“梁增长”现象对自复位框架的影响,提出一种自复位方钢管混凝土框架,该框架由钢管混凝土柱、钢梁及带耗能钢板的自复位梁柱节点组成。对3榀1/3比例的自复位方钢管混凝土框架进行低周往复荷载试验,研究其自复位性能和抗震性能。利用有限元软件ABAQUS对其进行了非线性数值分析,并验证了有限元模型的准确性,同时构建足尺模型研究了钢绞线初始预拉力和耗能钢板耗能段截面积对自复位框架性能的影响。结果表明：加载至2%层间位移角时,自复位框架表现出较好的自复位能力和耗能能力;增大钢绞线初始预拉力,结构承载能力与耗能能力增强,自复位能力先增强后减弱;增大耗能钢板耗能段截面积,结构的承载力随之增大,残余变形亦增大,自复位能力减弱。     

中间柱型阻尼器全螺栓装配式钢框架数值分析

提出了一种中间柱型阻尼器全螺栓装配式钢框架结构体系,利用有限元软件ABAQUS对该体系平面框架进行了数值模拟,分析钢框架的滞回性能、法兰螺栓预紧力损失、中间柱滑移以及各关键部位的应变变化等,并与试验结果进行对比。结果表明:有限元结果与试验结果基本吻合,结构表现出良好的滞回性能和抗震能力,法兰螺栓预紧力稍有降低,单法兰内套筒式连接节点达到刚接效果;中间柱型阻尼器的设置,不仅为结构提供耗能,还可延缓结构塑性发展和保护主体结构。     

新型自复位K型偏心支撑钢框架抗震性能分析

将K型偏心支撑钢框架的耗能梁换成形状记忆金属(Shape Memory Alloy,简称SMA)材料,通过SMA材料的超弹性为结构提供复位力,实现自复位K型偏心支撑钢框架的构想。为考察该新型自复位K型偏心支撑钢框架的抗震性能,应用ANSYS有限元软件建立K型偏心支撑钢框架多尺度有限元模型,在验证有限元模型合理的基础上,设计传统K型偏心支撑钢框架和自复位K型偏心支撑钢框架,采用10条强震记录分别进行罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。研究表明:新型自复位K型偏心支撑钢框架震后残余变形较小,能较好地实现结构的自复位,耗能梁腹板处应力分布与传统结构较为相似,但耗能能力及侧向变形能力较传统结构有所弱化。     

双重耗能摇摆桁架-钢框架结构体系的抗震性能分析

为了提高结构的抗震性能,提出了一种双重耗能摇摆桁架-钢框架结构体系,即在摇摆桁架和钢框架连接处安装黏滞阻尼器,并在桁架底部设置自复位支撑(SCED).建立了该系统的数值模型,并与摇摆桁架-钢框架对比分析,以研究其在地震下的抗震性能.结果表明:黏滞阻尼器在地震作用下充分发挥耗能能力,自复位支撑在地震作用下的残余应变基本为...     

新型软钢阻尼器滞回性能的试验与模拟分析

对一种新型可分阶段屈服的软钢阻尼器进行了试验研究和有限元分析,并将模拟结果与试验数据进行对比.在FTS伺服器上对两组耗能钢片厚度不同的阻尼器施加渐增位移循环荷载和固定位移循环荷载进行试验；利用ABAQUS有限元软件对4种不同尺寸的耗能钢片分别单独建模分析,得出单片耗能钢片的力学性能；再对两组试验的阻尼器整体建模,完全按照试验的加载制度和边界条件来对试验进行模拟.基本性能试验和疲劳性能测试结果显示这种阻尼器的滞回曲线饱满,并没有明显的低周疲劳现象,表明了这种分阶段屈服型软钢阻尼器具有很强的耗能能力,性能稳定.数值模拟结果显示有限元分析与试验结果吻合良好.这种阻尼器具备可分阶段耗能的优点,必将在将来具有更加广阔的应用前景.     

含形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析

为了使隔震结构体系能够同时获得良好的隔震特性及震后自复位能力,本文利用形状记忆合金(SMA)材料在相变伪弹性阶段具有较好阻尼性能这一特点,采用SMA自复位阻尼器与常规叠层橡胶垫组合成自复位隔震装置。根据SMA材料相变伪弹性的本构模型,对SMA自复位阻尼器在反复循环荷载下的力学行为进行了数值模拟,得到了相应的滞回耗能曲线。提出了一种针对SMA自复位阻尼器的分段线性化恢复力模型,并依据剪切型层模型理论,编制了设有SMA自复位阻尼器隔震结构在地震作用下的弹塑性时程分析程序,对设有这种新型隔震装置工程结构进行地震反应分析。分析结果表明,这种隔震装置不仅可以大大减轻地震对上部结构的影响,而且还具有很好的震后复位能力,因此具有较好的工程应用前景。     

带中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架拟动力试验

为解决较大跨度自复位钢框架结构层间位移角可能超限或耗能不足的关键问题,课题组前期提出将中间柱型阻尼器应用于装配式自复位钢框架。但是因门窗开洞等要求而不能在跨中处设置中间柱型阻尼器,从而提出了带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架,对其进行了拟动力试验,并与带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架的拟动力试验进行了对比,分析了其位移响应、滞回性能、中间柱摩擦阻尼器滑动、索力及典型部位应变变化等。结果表明,两榀框架震后短梁-长梁连接界面处残余转角和索力降低均较小,具有良好的开口闭合机制,耗能能力较优,能够有效避免主体结构的损伤,且带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架控制结构侧移效果更好,耗能性能更优,适用于较大跨度的多高层结构。     

新型钢板阻尼器的减震性能分析

通过改变钢板的平面几何形状减小应力集中,提出一种利用钢板平面内受力屈服耗能的新型钢板耗能阻尼器,并对其进行有限元数值计算,计算结果表明这种阻尼器初始刚度较大、滞回曲线饱满、耗能效果较好。为了利用有限元软件ABAQUS实现对安装有该类钢板阻尼器的整体结构模型进行计算分析,提出该类钢板阻尼器的双线型恢复力模型及其在软件中的简化计算方法。在此基础上,对安装与未安装该类钢板阻尼器的框架结构进行地震作用下动力有限元计算,从加速度反应和位移反应两方面对安装与未安装该类钢板阻尼器的框架结构的计算结果进行分析比较,结果表明该类钢板阻尼器在水平方向上对结构具有良好的减震效果,是一种有效的减震装置。     

体外预应力自复位框架拟静力试验研究

为了研究一种新型抗震结构体系—体外预应力自复位框架(External Prestressing Self-centering Frame,EPSCF)结构的变形和耗能特性,设计了1/2比例单层单跨EPSCF结构框架模型,通过拟静力试验得到了相应无控结构和有控结构的荷载位移滞回曲线。模型设计内容包括预应力钢绞线、梁柱铰接节点、柱脚铰接节点以及阻尼器等。试验结果表明,EPSCF无控结构中施加的钢绞线预拉力将在节点处产生摩擦力,使得结构具有一定的耗能能力;EPSCF有控结构的荷载位移滞回曲线呈现饱满的S形,表明阻尼器的设置使得结构耗能能力和位移控制能力大大提高;由EPSCF无控结构的骨架曲线得出的侧向刚度试验值与理论计算结果相差很小,验证了理论公式的正确性。最后,通过对比有限元模拟结果与试验结果,验证了有限元建模的正确性。     

新型SMA耗能连梁框架剪力墙结构抗震性能研究

钢筋混凝土框架-剪力墙结构在高层建筑结构中被广泛采用。根据延性抗震设计思想,连梁需在墙肢发生损伤前屈服以承担耗能。然而连梁跨高比较小,失效模式多为剪切破坏、属脆性破坏,耗能能力有限;且较严重的连梁损伤修复困难,影响结构地震后使用功能的快速恢复。为解决上述问题,提出在钢筋混凝土连梁中安装形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)阻尼器,改变连梁耗能模式。阻尼器中采用奥氏体SMA材料,地震过程中利用SMA的相变耗散地震能量,地震后由于SMA的超弹性性能,阻尼器变形可自动回复,没有残余变形。通过研究给出SMA阻尼器的关键设计参数,并将SMA阻尼器安装在一栋18层RC框剪结构的各层连梁中,进行阻尼器控制结构地震反应的参数分析,验证阻尼器控制结构地震反应的可行性。分析结果表明,连梁中设置SMA阻尼器能够有效减小RC框剪结构在大震作用下的位移反应。