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。     

碟簧装置恢复力模型及其在自复位RC剪力墙中的应用

为了准确模拟碟簧装置和自复位RC剪力墙的力学性能,对碟簧装置的工作原理和力学特性进行了分析,提出并开发了碟簧装置恢复力模型,通过试验验证了恢复力模型的准确性。在低周往复荷载作用下,对内置碟簧装置的自复位RC剪力墙的滞回性能进行数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:应用碟簧装置恢复力模型的数值模型可有效模拟自复位RC剪力墙的滞回特性、自复位性能及耗能能力。自复位RC剪力墙的承载力随碟簧预压力、附加摩擦力及碟簧装置刚度的增大而增大;耗能能力随附加摩擦力的增大而增大;残余位移随附加摩擦力的增大而增大,随碟簧预压力和碟簧装置刚度的增大而减小。     

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。     

带剪切连梁双柱式桥墩地震响应特性振动台试验研究

为了研究剪切连梁对双柱式桥墩地震响应的影响,该文将双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩置于全桥模型中开展振动台试验研究,其中带剪切连梁双柱式桥墩沿墩等间距附有5根剪切连梁。因此设计了一座几何相似比为1/70且包含桥墩(含双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩)、主塔、主梁、群桩和模型土等在内的斜拉桥试验模型并开展振动台试验,比较研究人工波、El Centro波和Mexico City波等不同频谱特性地震作用下双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的地震响应特性。试验结果表明:与双柱式桥墩结果相比,在人工波、El Centro波和Mexico City波作用下,带剪切连梁双柱式桥墩的墩底最大应变明显减小,表明附加的剪切连梁可有效降低墩柱的弯矩应变响应,实现了剪切连梁起分散墩柱受力的作用;与振动台输出最大加速度相比,三条地震波作用下带剪切连梁双柱式桥墩的墩底加速度放大1.4倍~1.8倍,表明桩-土-结构相互作用对纵向加速度产生不利影响,具有明显放大效应;地震输入的频谱特性明显影响双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的加速度、位移和应变等地震响应,且其影响程度取决于地震输入卓越频谱与结构频率特性之间的相关关系。     

自复位摩擦耗能支撑结构多尺度模型更新数值混合模拟方法

为提高复杂结构模型更新数值混合模拟精度及工程应用能力,提出自复位摩擦耗能支撑结构多尺度模型更新数值混合模拟方法。以OpenSees和MATLAB为计算平台,对二层带有自复位摩擦耗能支撑结构钢框架进行在线数值混合模拟。该方法采用容积卡尔曼滤波器算法,同时对单轴钢材Giuffre-Menegotto-Pinto材料本构模型和自复位摩擦耗能支撑构件模型进行参数识别,并更新整体结构数值模型。结果表明,与传统数值混合模拟方法相比,多尺度模型更新数值混合模拟方法有效提高了数值模型精度,显著降低了耗能、残余变形、顶层相对位移、最大层间位移角的相对误差,验证了多尺度模型更新数值混合模拟方法的有效性。     

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.     

一种新型自复位耗能拉索支撑的理论研究与数值分析

传统的支撑框架体系通过材料的塑性屈服耗散地震能量,在震后往往产生较大的残余变形,不仅修复代价高昂,更会严重危害结构的使用安全。提出了一种新型支撑形式——自复位耗能拉索支撑,可在特定的地震水准下降低刚度,耗散地震能量,同时利用复位筋提供的恢复力消除支撑残余变形。对其构造和工作原理进行了详细的说明,建立了力学分析模型,理论推导了在单调荷载和往复荷载作用下的荷载-位移关系,提出了控制参数的计算方法。建立了ABAQUS有限元模型,通过与理论分析结果对比验证了支撑的工作性能。研究结果表明在楼层层间位移角达到2%时,支撑仍然具有完全的自复位能力。提出的力学模型和数值模型可为此类支撑的设计提供理论基础。     

山区桥梁双柱式桥墩设置BRB的减震效果研究

为增强山区桥梁双柱式桥墩的横向抗震能力,尝试采用一种新型的耗能减震构件,即在双柱式桥墩之间设置防屈曲支撑(Buckling-Restrained Braces,BRB),并通过数值分析手段研究其减震效果。考虑双柱式桥墩的规则性和BRB布置形式,利用SAP2000软件建立含BRB的双柱式桥墩横向分析模型。采用谱分析和非线性时程分析,得到双柱墩小震(线弹性)和大震(弹塑性)作用下的内力和变形。引入减震率和残余位移角两个参数,通过增量动力分析方法,进一步验证BRB对双柱式桥墩抗震能力的提升作用。结果表明,小震下BRB可减轻规则与非规则双柱式桥墩承受的地震力,但会一定程度增加基础剪力,大震下BRB能够有效减小桥梁墩柱最大塑性变形并控制其残余位移角。     

地震-风耦合作用下钢框架-自复位支撑筒结构性能研究

基于自回归模型分别模拟重现期为1年、10年和50年下不同高度处的风荷载时程,并与不同峰值加速度的地震动记录进行组合,对一布置预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑的50层钢框架-自复位支撑筒结构在地震-风耦合作用下的性能进行研究。结果表明:在地震-风耦合作用下,风荷载强度的增大对结构层间位移角的增大效果并不显著,结构层间位移角主要由地震动强度控制;风荷载强度越大,结构层间变形集中程度越小;地震动强度越小,风荷载对结构基底剪力影响越显著;地震动强度越大,地震-风耦合作用下结构各层加速度放大系数与地震单独作用下的结果差异越显著;PS-SCED支撑在地震-风耦合作用下能充分发挥耗能能力,有效保护主体结构,其良好的自复位特性能有效减小结构的残余变形。     

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。     

带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能分析方法与试验验证

在带剪切连梁的双柱式桥墩拟静力试验研究基础上,该文建立了带剪切连梁的双柱式桥墩的集中塑性铰和纤维单元分析方法并进行了抗震性能分析,比较分析了各模型的墩柱剪力-位移滞回曲线及其骨架曲线与耗能能力、剪切连梁滞回曲线及其耗能能力等性能参数。结果表明:采用集中塑性铰和纤维单元分析方法预测的抗震性能与试验结果吻合较好,且两种分析方法能合理反映桥墩最大荷载后的强度下降、刚度退化和耗能水平下降等现象,表明该方法是分析带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能的有效可靠方法。     

带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究

针对自复位节点复位阶段抗力大的问题,提出了带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点。为研究节点的抗震性能和自复位性能,对5个足尺梁柱节点试件进行低周往复荷载试验,对其受力性能进行理论分析,建立节点的恢复力模型。结果表明:带开槽耗能板的自复位节点具有良好的耗能能力、承载能力和自复位性能,滞回曲线呈典型的“双旗帜”形。4.00%位移角时节点残余变形较小,除耗能板外其余部件均保持弹性,震后更换耗能板即可快速修复。节点的自复位性能随耗能板单个板条宽度的增大而降低,耗能能力随单个板条宽度的增大而提高;耗能板厚度和宽度越大,节点的耗能能力和承载力越强,自复位能力越弱;钢绞线初始预应力对节点的承载力、初始刚度和自复位能力均有显著影响,但对节点耗能能力影响很小。恢复力模型与试验结果吻合较好。     

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。     

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。     

自复位防屈曲支撑结构动力位移反应的关键参数

自复位防屈曲支撑特殊的恢复力模型使得安装有这种支撑的结构在地震作用下的反应与传统结构大不相同,因此开展此种结构抗震性能的研究十分必要。该文首先根据较高的性能目标提出一种简单且足够精确的自复位防屈曲支撑结构的恢复力模型;然后结合单自由度自复位防屈曲支撑体系的运动方程确定影响该种结构地震位移反应(即最大非线性位移及位移比谱)的所有独立参数;并证明了无刚度和无强度退化结构的非线性位移比与地震动的幅值无关。最后通过两个例子证明了该文的结论。     

基于耗能保险丝的桥梁双柱墩减震控制研究

双柱式排架墩被广泛应用于桥梁下部结构,同时在历次破坏性地震中震害普遍且严重。基于保险丝的损伤控制理念,可通过设置防屈曲支撑(buckling restrained brace,BRB)等可更换的耗能装置来提升双柱墩的侧向承载力和耗能能力。当BRB按人字形和单斜式布置时,其耗能能力不能得到充分利用。该研究将肘节式支撑系统和BRB相结合,发展一种能够放大BRB位移的肘节式耗能减震体系,从而提升了BRB的耗能减震能力,并针对此保险丝体系,推导出由桥墩材料、几何属性和位移放大系数等无量纲参数控制的BRB核心段长度取值范围表达式,还绘制了位移放大系数的三维等高线图用于保险丝的设计。选择具有不同破坏形式的两个双柱墩进行保险丝设计,确定BRB的设计参数,建立动力分析模型并输入4组不同类型的地震动进行增量动力分析,考察了人字形、单斜式和肘节式BRB保险丝体系在不同地震动强度下对双柱墩的减震效果。结果表明：同等设计条件下肘节式BRB体系的减震效果最好,BRB的变形得到了放大并充分发挥了其滞回耗能作用,从而将双柱墩的地震损伤控制在轻微破坏甚至于弹性状态,而对应的人字形BRB体系减震效果则最差。     

双柱式摇摆桥墩结构体系地震反应和倒塌分析

摇摆构造可将地震损伤控制在摇摆界面内,以避免主体结构损伤破坏,且具有较好自复位能力。为研究一种双柱式摇摆桥墩结构体系的地震反应,基于拉格朗日方程和动量矩守恒定理给出计算该双柱式摇摆桥墩结构体系动力反应的刚体动力分析模型,并进行了实例分析、参数分析和倒塌分析。研究结果表明:采用工程实际尺寸的双柱式摇摆桥墩结构体系可满足我国桥梁抗震设计规范的E2地震抗震设计需求;桥墩宽高比和尺寸的增大可减小结构体系的地震反应;给出在Ricker小波作用下的倒塌加速度谱和两种倒塌模式,以及倒塌模式过渡现象需要在抗震设计中得到重视的建议,并提出一种墩底扩大截面的抗倒塌措施。     

装配式自复位钢框架-开缝钢板剪力墙结构试验研究

提出了一种新型带有开缝钢板剪力墙的装配式自复位钢框架结构,设计并完成该结构在低周往复荷载作用下的拟静力试验,研究其刚度、耗能性能、破坏模式以及复位能力。结果表明:该结构具有良好的开口闭合机制,震后自复位并通过更换钢板墙快速恢复主体结构功能。结构初始刚度高,耗能能力优。在水平荷载作用下,钢板剪力墙进入屈曲耗能,有效地保护框架主体结构。在达到规范规定弹塑性层间位移角限值1/50时试验结束,自复位钢框架基本处于弹性状态,残余开口较小,且试验过程中最大索力远小于屈服索力,为该结构能够承受更大的地震作用提供良好基础。     

一种新型自复位SMA-剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析

利用形状记忆合金（shape memory alloys,SMA）的超弹性以及金属铅的屈服耗能特性,开发出一种新型复合耗能自复位阻尼器,由形状记忆合金丝、剪切型铅块以及复位弹簧组成,其特点是结构简单、制作方便,同时具有高耗能及自复位功能。制作了阻尼器模型,并进行了力学试验,研究了在循环荷载作用下不同加载速率、不同位移幅值对其力学性能的影响。建立阻尼器的力学模型对其进行了数值模拟,结果表明:新型阻尼器在循环荷载作用下滞回性能稳定,利用形状记忆合金与铅同时工作耗能,阻尼器具有良好的耗能能力;复位弹簧的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了力学模型的正确性。     

外置可更换耗能器的预制拼装自复位桥墩抗震性能试验研究

基于抗震韧性设计理念,结合装配式结构技术,发展了具有外置可更换耗能器的自复位预制拼装桥墩结构。开展了两组自复位预制拼装桥墩模型结构的拟静力往复加载试验研究。介绍了往复加载过程中自复位预制拼装桥墩的受力行为及损伤过程,分析了其力-位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、预应力筋张拉力变化、残余位移、接缝开口、墩底受压区高度等抗震性能。结果表明:外置耗能部件具有良好的可更换性和耗能能力,更换前后桥墩的抗震性能基本一致。自复位桥墩力-位移滞回曲线呈现出明显的"旗帜"型形态,残余位移较小,具有良好的自复位能力。随墩顶水平位移增加,墩柱内轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,更换耗能器后预应力筋的预应力损失减小。墩底外包钢管有效地抑制了局部混凝土压溃,钢管没有出现局部外鼓等损伤破坏。