方形转动摩擦阻尼器滞回性能研究

提出了方形转动摩擦阻尼器的理论滞回模型,推导了滞回曲线理论计算公式并对公式的适用条件加以限制,通过低周往复试验和数值模拟,对该阻尼器的理论模型及计算公式进行了系统性的验证。结果表明：方形转动摩擦阻尼器的理论滞回曲线与试验结果、数值模拟结果在加载位移区间为(-30mm, 30mm)内吻合性较好;滞回曲线近似呈喇叭形,曲线饱满,表明该阻尼器具有较强的耗能能力;当方形转动摩擦阻尼器耗能端预紧力较小或摩擦片材料摩擦系数较小时应考虑加载端的摩擦力影响,并对理论计算公式进行进一步修正,为类似工程提供借鉴。     

木质变摩擦阻尼器滞回性能的试验研究与理论分析

基于对摩擦阻尼器材料及构造的改进,研制了一种木质变摩擦阻尼器。对9个不同参数的木质变摩擦阻尼器试件进行了低周反复荷载试验,研究了阻尼器的滞回性能,分析了摩擦块的坡度、螺栓预紧力等因素对阻尼器耗能性能的影响。根据木质变摩擦阻尼器的构造特点及工作原理,建立了其力学分析模型,确定了适用于该摩擦阻尼器的滞回规则和相应的滞回模型,并利用试验数据对滞回模型进行了验证。研究结果表明：木质变摩擦阻尼器的输出力在大变形时显著提升,滞回曲线较为饱满,具有分阶段耗能的特点,表现出稳定且良好的耗能性能;木质变摩擦阻尼器的耗能能力与木质摩擦块坡度和螺栓预紧力呈正相关。建立的滞回模型能较准确地反映木质变摩擦阻尼器的工作性能,理论与试验滞回曲线吻合较好。     

基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

为提高建筑结构抗震韧性,实现震时响应可控,震后易修复的性能目标,提出一种基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器,给出一种基本构造方案,分析阻尼器不同阶段的工作原理,理论推导滞回曲线及各阶段刚度、承载力计算公式。通过多次往复加载试验,对碟簧和摩擦片的基本性能,以及多次地震作用下阻尼器的滞回性能和低周疲劳性能进行了考察。试验结果表明,高强钢碟簧性能稳定,复合摩擦材料耗能能力优异;基于两者组合的自复位消能减震阻尼器具有良好的可调节刚度、承载力以及优异的自复位性能;阻尼器滞回耗能稳定,可实现震后功能恢复,低周疲劳性能好。提出的阻尼器工作过程中各阶段刚度及承载力计算公式与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

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。     

新型自复位变摩擦阻尼器力学性能研究

研制了一种新型自复位变摩擦阻尼器。该阻尼器由圆柱螺旋压缩弹簧和耗能摩擦单元串联而成,通过铣削钢板实现变摩擦力,并控制圆柱螺旋压缩弹簧的预压力大于摩擦单元的最大输出力,实现自复位功能。本文对该阻尼器进行了拉压循环力学试验,并分别研究了扭矩、位移幅值和加载频率对其滞回曲线和力学参数(单位循环耗能、割线刚度、和等效阻尼比)的影响。利用ABAQUS有限元分析软件建立了实体单元模型,并对其进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了试验结果的正确性。     

SMA耗能阻尼器的连续刚度力学模型研究

基于大量SMA耗能阻尼器力学试验,根据阻尼器工作时刚度渐变的特点,提出了连续刚度力学模型,建立了SMA耗能阻尼器性能参数的简易计算公式,给出了相关参数的计算方法并分析了对SMA耗能阻尼器性能参数计算结果的影响。试验分析结果表明:1)连续刚度力学模型滞回曲线与试验滞回曲线相吻合,适用于SMA耗能阻尼器的力学研究;2)应用SMA耗能阻尼器性能参数简易公式计算的阻尼器性能参数值与试验值的误差小于7%。     

形状记忆合金滑动摩擦阻尼器自复位支撑受力性能研究

当设置SMA滑动摩擦阻尼器延展为自复位支撑时，连接的刚度可能影响支撑的力学性能，支撑可能会出现面内旋转和整体失稳。为检验由形状记忆合金滑动摩擦阻尼器和钢管串联而成的自复位支撑能否实现预期的滞回性能，针对支撑的轴向刚度、转动刚度和稳定性进行理论分析。通过往复加载试验获得了形状记忆合金棒的滞回曲线和摩擦机制的动摩擦系数。制作了1个1/3缩尺的支撑试件，并进行了拟静力试验和频率为1.0 Hz的动载试验，结果表明，轴向荷载作用下，支撑的荷载-位移滞回曲线呈光滑稳定的旗帜形，展示出优越的自复位能力和良好的耗能能力。基于滞回曲线，分析了支撑的承载力、割线刚度、耗散能量和等效黏滞阻尼比等滞回性能参数，发现其等效黏滞阻尼比可达16%。建立了支撑的三维有限元模型，数值模拟与试验数据吻合良好。通过数值模拟对钢管的轴向刚度予以分析，发现当钢管的轴向刚度降低至文中基准模型刚度的20%时，可能导致钢管屈服和支撑整体失稳。     

形状记忆合金复合摩擦阻尼器设计及试验研究

研制一种兼具自复位功能和高耗能的形状记忆合金复合摩擦阻尼器 (Hybrid Shape Memory Alloys Friction Damper,简写为HSMAFD),该阻尼器由超弹性形状记忆合金丝复位装置和摩擦耗能装置组成。制作了HSMAFD模型,并通过试验研究了HSMAFD在循环荷载作用下的力学性能,考察了初始应变、位移幅值、摩擦力和加载频率对其力学性能的影响。基于改进的Graesser & Cozzarelli模型和Bouc-Wen模型,分别建立复位装置和摩擦装置恢复力模型,并对其力学性能进行了数值模拟。研究结果表明：HSMAFD在循环荷载作用下具有稳定的滞回特性、良好的耗能和自复位能力,且其滞回和自恢复性能可以通过调节超弹性形状记忆合金丝的初始应变和摩擦力而改变;数值模拟结果和试验结果吻合较好,验证了恢复力模型的正确性。     

大尺寸超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧滞回性能

利用2种镍钛形状记忆合金(SMA)研制了大尺寸超弹性螺旋弹簧,对其进行了单轴反复荷载作用下的滞回性能试验,研究了超弹性SMA螺旋弹簧的恢复力特性与耗能能力,分析了加载频率、位移幅值对2种SMA螺旋弹簧滞回曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移等力学性能参数的影响;采用刚弹性模型和Bouc-Wen模型,建立了适用于整体结构分析的SMA螺旋弹簧简化恢复力模型,并利用该模型进行了数值模拟。结果表明:超弹性SMA螺旋弹簧具有稳定的滞回曲线,且具有良好的复位性能和大变形能力,可用于结构自复位控制装置的研发;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化恢复力模型的正确性。     

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。     

安装SMA环簧阻尼器的钢框架地震响应分析

本文利用ABAQUS模拟设置预紧位移的SMA环簧阻尼器力学性能,采用初始消压荷载修正公式修正了有限元模拟结果。在此基础上,探究了有无预紧位移对SMA环簧阻尼器滞回性能的影响。基于ABAQUS的模拟结果,在开源软件OpenSees中对无控钢框架和安装SMA环簧阻尼器的钢框架进行地震响应时程分析。结果表明：有限元模拟结果能够反映出SMA环簧阻尼器的自复位性能,初始消压荷载修正公式能一定程度减小不完整马氏体相变造成的有限元模拟与试验结果的误差。设置预紧位移后SMA环簧阻尼器的初始刚度、最大承载力和耗能能力明显提高。在相同大小的加载位移下,预紧后的SMA环簧阻尼器展现出更加高效的耗能能力。安装SMA环簧阻尼器能够有效降低结构的地震响应,提高结构的自复位能力,减小震后的残余变形。     

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。     

基于转动型摩擦阻尼器滞回性能试验研究

为研究转动型摩擦阻尼器在静力反复荷载作用下的滞回性能,对6个转动型摩擦阻尼器试件进行拟静力试验研究,分析其工作机理、滞回性能、耗能能力及摩擦系数等并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,与试验结果进行对比分析。研究结果表明:1)转动型摩擦阻尼器滞回曲线饱满,有较好的耗能能力;2)无石棉有机物摩擦力较为稳定,铝镁合金、铜锌合金阻尼器摩擦力离散性较大; 3)增大阻尼器高强螺栓预紧力、单元数可增大阻尼器摩擦力,有效提高摩擦阻尼器耗能能力; 4)铝镁合金耗能能力优于铜锌合金、无石棉有机物,无石棉有机物能量耗散稳定性优于铜锌合金、铝镁合金; 5)铜锌合金、铝镁合金摩擦系数大于0. 3,无石棉有机物摩擦系数约为0. 16; 6)有限元分析结果与试验值误差较小,有限元模型可以较好地模拟试验。     

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。     

形状记忆合金-弧面摩擦复合阻尼器设计与分析

提出了一种兼具自复位、变摩擦和高耗能于一体的新型形状记忆合金-弧面摩擦复合阻尼器,该阻尼器由形状记忆合金复位装置和变摩擦耗能装置两部分组成。基于Brinson模型和摩擦学建立了该阻尼器的恢复力模型,并利用Simulink对其力学性能进行了数值模拟。研究结果表明:所建立的恢复力模型能够很好地描述该阻尼器的力学性能;随着位移幅值的增加,阻尼器的耗能能力逐渐增大,加载频率对其耗能能力影响不大,在建筑结构中能够保持稳定的耗能特性,具有一定的工程应用前景。     

考虑应变硬化的软钢阻尼器滞回模型及应用

设计了一种钢板开设条形孔的软钢阻尼器用于既有混凝土框架的减震加固,该阻尼器主要利用竖向板肢的平面内弯曲塑性变形提供耗能。首先通过低周反复加载试验研究了该软钢阻尼器的滞回性能,揭示了该软钢阻尼器具有滞回稳定、循环加载下应变硬化明显等特点。为建立考虑应变硬化效应的软钢阻尼器滞回模型,提出了采用Bouc-Wen材料与硬化材料并联的力学模型用于模拟软钢阻尼器的滞回性能,并在Open SEES程序实现其数值建模,编制了MATLAB计算程序用于确定滞回模型参数,数值模拟滞回曲线与试验结果匹配较好,该滞回模型能用于减震框架模型的非线性动力反应分析。给出了采用上述程序预测振动台试验软钢阻尼器滞回响应的应用算例。     

装配式自复位剪切型铅阻尼器抗震韧性试验研究

电力系统的抗震韧性是韧性城市建设的核心之一，研发高强度瓷、瓷的替代材料以及附加减隔震元件是提高瓷柱式电气设备抗震韧性的重要手段。以典型高柔型电气设备为研究对象，研发了适用于该类电气设备的装配式自复位剪切型铅阻尼器，对阻尼器核心元件——形状记忆合金棒材及装配式剪切型铅阻尼器进行了滞回性能试验，研究了主耗能环长度对装配式剪切型铅阻尼器力学性能的影响。试验结果表明：形状记忆合金棒材的等效阻尼比介于4%～11%之间，其位移恢复率超过60%,具有很好的复位能力；附加耗能环可以提高装配式剪切型铅阻尼器的耗能稳定性，通过阻尼器及其核心元件滞回性能的对比，验证了装配式自复位剪切型铅阻尼器具有形状记忆合金阻尼器高复位能力和装配式剪切型铅阻尼器高耗能能力等的综合特性，为电气设备的抗震安全性提供有效依据。     

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。     

泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器性能试验研究

基于泡沫铝/聚氨酯复合材料（aluminum foam/polyurethane,简称AF/PU）是一种同时具有铝材料的摩擦性能和聚氨酯的黏弹性的复合材料,由此研制出一种能够发挥黏弹性阻尼器和摩擦阻尼器各自耗能特点的泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器（AF/PU摩擦阻尼器）,并对该阻尼器进行位移幅值、频率等相关性的性能试验和疲劳性能试验。以最大输出力、刚度和阻尼比为指标,研究该阻尼器的性能规律,采用修正的Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明：AF/PU摩擦阻尼器的滞回曲线饱满,具有较高且稳定的阻尼比。该阻尼器的力学性能随位移幅值和循环次数的增加而呈现分阶段性,但是加载频率的影响却较小,该阻尼器是一种典型位移幅值相关的变刚度摩擦阻尼器。修正的Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果二者吻合良好。     

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。