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。     

不同耗能特征的黏弹性阻尼器性能对比试验研究

该文通过不同应变幅值、不同加载频率以及疲劳荷载下的低周往复试验,对A、B两种具有不同耗能特征的黏弹性阻尼器的基本力学性能进行了研究,并对其储能剪切模量、耗能剪切模量、损耗因子等力学性能进行比较分析。试验结果表明:在相同变形幅值下,A、B两种黏弹性阻尼器的损耗因子和等效阻尼比的值比较接近,其中A种黏弹性阻尼器的单位体积材料的耗能量较大,提供的刚度也更大,但是加载过程中材料内部的升温效应比较明显,疲劳荷载下的各力学性能指标的衰减量也较大;B种黏弹性阻尼器的单位体积材料的耗能量和刚度较小,但是其力学性能受材料内部升温效应以及累积疲劳损伤的影响较小,疲劳荷载下各力学性能指标的衰减量较小。因此,在实际工程应用中,A种黏弹性阻尼器适合应用于有较高的刚度需求和耗能需求的结构,而B种黏弹性阻尼器适用于对力学性能稳定性以及抗震疲劳性能要求较高的结构。另外,采用Bouc-Wen模型得到的模拟结果与试验数据吻合良好。     

新型软钢阻尼器的减震性能研究

提出了设计软钢阻尼器的新思路：利用钢板平面内受力提高初始刚度，并通过改变钢板平面几何形状增加变形耗能能力。通过对具有不同几何形状的软钢阻尼器模型进行拟静力往复加载试验研究，验证了此种软钢阻尼器具有良好的塑性耗能性能。数值计算表明，在地震动作用下装有新型软钢阻尼器框架体系具有良好的减震效果。     

速度相关型耗能减振体系参数影响的复模量分析

利用复模量阻尼理论研究粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器与斜撑串联的复合阻尼元件对结构减振效果的参数影响及耗能减振体系反应分析的简化计算方法。首先,采用复模量方法对两类阻尼器与斜撑串联的复合元件阻尼特性进行了分析;然后确定了影响阻尼器减振效果的复模量参数,得到了耗能减振系统中阻尼器实际发挥作用的参数影响量化关系式;第三,建立了阻尼器与斜撑串联的复合元件等效模型,提出了速度相关型耗能减振体系反应分析的简化方法;最后,通过对单自由度耗能减振体系的地震反应进行数值计算,验证了简化分析方法具有良好的计算精度。     

轴向拉压型金属阻尼器抗震性能测试及其应用研究

以一种轴向拉压型金属阻尼器为研究对象,介绍了轴向拉压型金属阻尼器的结构构造及其理论计算方法;进行了抗震性能测试,得到了轴向拉压型金属阻尼器的屈服位移、屈服荷载及屈服刚度,并分析了其耗能能力;研究了轴向拉压型金属阻尼器在体外预应力自复位结构中的应用。研究结果表明:轴向拉压型金属阻尼器利用腹板轴向拉压耗能,避免了连接构件的局部损坏;安装方式与黏滞阻尼器相同,安装方便、易于更换;轴向拉压型金属阻尼器具有提供结构附加刚度,控制结构位移,耗能显著的优点。     

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。     

新型旋转放大式黏弹性阻尼器性能试验研究

该文提出了一种新型旋转放大式黏弹性阻尼器,该阻尼器利用杠杆原理将梁柱节点处相对较小的转角变形成倍放大。通过放大转角变形,充分发挥阻尼器的耗能能力,可实现更理想的减震控制效果。介绍了阻尼器的基本构造及工作原理,并加工制作了实物模型;进而对其进行频率相关性、变形相关性以及疲劳性能加载试验,探究其最大阻尼力、等效剪切刚度、每循环耗能和等效粘滞阻尼比等力学性能指标的变化规律;并与传统无放大功能转角阻尼器的力学性能进行了对比,验证了所提阻尼器的耗能放大能力。试验结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,滞回性能稳定,抗疲劳性能良好;与传统转角无放大功能阻尼器相比,其耗能能力最大可提高4.42倍。     

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。     

粘弹性阻尼器对桥面铺装层的车振控制

本文针对湖北省武黄公路中桥（涵）面铺装层因车振频繁而开裂破损问题。提出在小桥（明涵）下设置粘弹性阻尼器支撑,提供耗能减振控制力,使桥面铺装层应力控制在允许应力范围之内。文中推导了粘弹性阻尼器的单元刚度矩阵、粘弹性阻尼器和人字型支撑的组合单元刚度矩阵和粘弹性阻尼器的耗能控制力向量,建立了采用时程分析的一个实用计算方法。     

往复荷载下带竖向阻尼器自复位墙滞回性能分析

针对一种新型带竖向阻尼器自复位墙（VD-SCW）的受力特征,该文建立可用于VD-SCW滞回性能的等效纤维模型,并利用利用Perform-3D有限元软件对等效纤维模型进行分析,通过与已有自复位墙试验数据的对比,验证纤维模型的有效性。在此基础上,分析了阻尼器屈服力、阻尼器刚度和预应力筋张力控制应力等关键参数对VD-SCW滞回性能的影响,结果表明:阻尼器屈服力的增加会提高墙体启动力和耗能能力,但同时会使墙体卸载时的残余变形增大;过小的阻尼器刚度会明显降低墙体耗能能力,但增加到一定程度后对墙体耗能影响不明显;预应力筋张力控制应力的增加会提高墙体的启动力,但会导致预应力筋过早屈服,从而降低墙体的摇摆能力,但对其耗能能力影响较小。     

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.     

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。     

自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究

该文利用形状记忆合金（SMA）的超弹特性提出了一种新型自复位放大位移型SMA阻尼器（re-centeringdeformation-amplified SMA damper,RDASD）。该阻尼器可将位移变形根据实际工程需要进行放大,通过限制放大以后的位移充分发挥SMA材料的耗能能力。首先建立了该阻尼器的恢复力模型,并通过试验进行了验证。基于SMA材料的旗帜型恢复力模型,分析了预变形、超弹性拉伸位移、刚度和长度四个参数对该阻尼器耗能系数的影响规律。为实现最佳耗能和减震控制效果,提出了该阻尼器的设计准则和性能优化方法。最后以某三层钢框架结构为例,分析了有控和无控两种工况下结构在地震动作用下的动力响应,验证了该阻尼器的减震效果。     

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。     

组合耗能系统的振动台试验与分析

在一座三层单跨的钢结构模型中安装了金属耗能器及其和油阻尼器并联组合，对这两种耗能体系进行了振动台试验，以研究耗能体系的动力特性，检验其减振效果，试验结果表明：组合耗能体系对位移有良好的减振效果；在小震时，对结构加速度峰值的减振效果不太明显，在大震情况下，基本上都能减小结构加速度峰值；耗能器的刚度与阻尼之间存在匹配关系，最后进行了数值分析，并与试验结果进行了比较，验证了本文提出的计算模型与方法的正确性。     

基于形状记忆合金的X形板阻尼器的力学模型

根据超弹性形状记忆合金（SMA）的分段线性化本构关系,建立了X形SMA板式阻尼器的力学模型;通过MATLAB程序进行数值模拟,绘制了X形SMA板的阻尼力滞回曲线,并研究了位移幅值、温度、形状尺寸对阻尼器基本特征参数（等效割线刚度、单位循环消耗的能量、等效阻尼比）的影响。结果表明：X形SMA板式阻尼器具有“旗帜”形的滞回曲线,耗能较小,但复位能力好;随位移幅值增加,耗能力和等效阻尼比增加,等效割线刚度降低,温度的影响与此相反;阻尼器的特征参数随板高增加均呈降低趋势;增加板宽,单位循环耗能与等效割线刚度增加,而等效阻尼比不变。研究结果为X形SMA板式阻尼器的设计和工程应用提供了理论依据。     

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。     

新型双重自复位摩擦阻尼器试验及数值模拟

为提升阻尼器的复位性能,提出了由复位弹簧与形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)组成的双重复位驱动体系,设计了新型双重自复位摩擦阻尼器,概述了其构造及工作原理。通过往复加载试验,考察了预紧力、加载位移幅值及复位弹簧组件刚度对阻尼器复位性能及耗能性能的影响;确定了阻尼器简化力学模型并进行数值模拟分析。结果表明：增大预紧力虽能提高阻尼器耗能性能,但同时增大了残余变形率;在预紧力和加载位移幅值较大的情况下,双重复位体系对阻尼器卸载后残余变形率的降低更加显著,有利于提升有高耗能需求的阻尼器的复位性能;简化力学模型与OpenSees有限元模拟得到的阻尼器滞回曲线、力学性能参数与试验结果吻合程度较高,验证了力学模型的准确性。通过有限元模拟分析了各功能部件对阻尼器整体性能贡献,分析结果反映了摩擦耗能装置对阻尼器整体耗能性能的贡献较好,并且复位弹簧对阻尼器复位性能的贡献随着预紧力的增大而愈加明显。     

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。     

一种改进型磁流变阻尼器用于宽频隔振研究

磁流变阻尼器是新一代智能型耗能器，具有反应迅速、提供阻尼力大、控制方便等优点，是实现半主动振动控制的理想元件，目前已在工程领域得到较广泛的应用。但同其它常规流体阻尼器类似，在高频振动时会出现刚度硬化现象，使高频传递率增大，常规磁流变阻尼器多应用于较低频域的振动控制。针对这种情况，提出一种带有解耦机构的新型磁流变阻尼器，即在常规磁流变阻尼器内增加解耦机构。解耦机构的加入使磁流变阻尼器成为一个对振幅敏感的器件，即在不同的振幅下具有截然不同的刚度和阻尼特性。采用Bingham模型建立磁流变阻尼器的阻尼力模型，由隔振系统的动力学模型推导出传递率的表达式。通过对两种磁流变阻尼器进行仿真对比后认为：带有解耦机构的磁流变阻尼器在低频、大振幅时解耦机构几乎不起作用，新型磁流变阻尼器的性能与常规磁流变阻尼器相同，具有大阻尼特性；而在高频、小振幅时，解耦机构处于近似解耦状态，阻尼器具有小阻尼、低动刚度的特性，可减小高频传递率。