双重耗能机制框架剪力墙结构地震响应分析

当前摇摆墙体系研究广泛,但由于放松了墙底约束,抗侧刚度减小,使得结构整体变形过大.在框架剪力墙双重结构体系中,利用剪力墙和框架在地震作用下不同的变形模式,在两者之间连接屈曲约束支撑(BRB)可有效降低框架结构的水平加速度响应;进一步在剪力墙底设置参数可控的金属阻尼器(MD),防止剪力墙底部破坏的同时,整体结构在BRB与...     

基于BRB的铁路双柱式超高墩连续梁桥横向减震研究EI北大核心CSCD

为提升双柱式超高墩桥梁的横向抗震性能,可将屈曲约束支撑(buckling restrained brace,BRB)用于双肢墩身。通过某铁路超高墩大跨连续钢桁梁桥非线性时程分析,研究了罕遇(PGA=0.227g)和极罕遇(PGA=0.640g)地震下BRB的参数影响规律、作用机理及减震效果,探讨了高阶振型对BRB墩身地震响应的影响。结果表明:BRB能够改变墩身传力路径,在一定参数范围内可将原有墩身部分弯矩转化为支撑点的轴力和剪力;罕遇地震下BRB未充分发挥耗能作用,地震响应随芯材面积A;增加而不断接近X撑方案;极罕遇地震下设置BRB可明显减小墩顶位移和墩身轴力响应;BRB会适当增加墩身弯矩响应,但截面PM滞回并未超过等效屈服包络;由于高阶振型效应,BRB墩身中部的剪力、弯矩响应包络图凹凸交替变化;随着墩高的降低,高阶振型的影响减弱,墩身剪力、弯矩包络图近似双折线;采用BRB可有效抑制超高墩的高阶振型,同时提升极罕遇地震下桥墩的耗能能力、增强横桥向抗震性能。     

框架剪力墙结构抗震地震易损性分析

为了提升剪力墙抗震效果,降低对应的易损性,该文分析了框架剪力墙结构抗震地震易损性。建立异形柱框剪结构,构建塑性抗震易损模型,采用增量动力法进行剪力墙抗震易损性分析。结果表明：随着震动幅度以及强度逐渐增加,墙体结构也会发生等效变化,部分区域会形成弯曲状,此时的易损斜率是较高的;反之,震动的幅度以及强度逐渐下降,墙体结构所形成的弯曲状得到了有效控制,此时的易损斜率相对较小,解决了框架剪力墙损坏的问题,为后续的施工建设营造更加安全稳定的环境。     

带支撑Maxwell阻尼器多层隔震结构的随机地震响应分析EI北大核心CSCD

对隔震层附设带支撑的五参数Maxwell阻尼器的多层基础隔震结构随机地震响应解析解法及平稳响应进行了研究。首先将上部结构用第一振型展开,采用带支撑的五参数Maxwell阻尼器的积分型分析模型,用微分积分方程组实现对该结构的时域非扩阶精确建模;然后采用传递矩阵法,直接在耗能隔震结构原空间获得结构在任意激励下的位移、速度和阻尼器的时域瞬态响应解析表达式;最后在Kanai-Tajimi平稳滤过白噪声激励下,基于该解析解,获得了结构的位移、速度和阻尼器受力的随机响应方差,并给出算例,从而建立了该多层隔震结构在Kanai-Tajimi滤过白噪声激励下的随机响应解析分析方法。     

框架-摇摆墙结构阻尼优化设计方法研究

摇摆墙体与主体框架之间存在较大的竖向变形,可于此变形集中部位增设耗能构件,实现保护主体结构的基本损伤机制。提出附加阻尼的框架-摇摆墙结构,并基于等效线性化理论初步计算结构仅附加单一类型阻尼器的阻尼置放量,而后通过定义目标函数,确定可使目标函数最小的同时附加粘滞阻尼与金属阻尼的阻尼器布置方式,得到结论如下:1于弯剪型结构,当仅考虑结构加速度控制时,可沿结构总高布置粘滞阻尼器,而需综合考虑结构楼层位移、加速度时及层间位移角时,可于结构2/3处下部安装金属阻尼器,与其上部1/3处安装粘滞阻尼器;2于剪切型结构,当仅考虑结构层间位移角时,可于结构楼层1/2处下部安装金属阻尼器,与其上部1/2处安装粘滞阻尼器,而需综合考虑结构楼层位移、加速度及层间位移角时,则可于结构1/3处下部安装金属阻尼器,与其上部2/3处安装粘滞阻尼器。     

一种体外预应力钢筋混凝土摇摆框架抗震性能研究EI北大核心CSCD

体外预应力摇摆框架(External Prestressing Rocking Frame,EPRF)是一种新型的采用结构控制技术的抗震结构体系。建立了单榀体外预应力摇摆框架的力学模型并推导其理论抗侧刚度公式;其次,建立了无阻尼耗能的体外预应力摇摆混凝土框架、有阻尼耗能的体外预应力摇摆混凝土框架以及常规钢筋混凝土框架的有限元模型;输入El Centro地震波采用ABAQUS有限元程序对三种框架进行了动力时程分析,得到了地震作用下的结构楼层位移响应、加速度响应和层间剪力响应,对比分析了三种框架的地震响应结果。研究结果表明,具有阻尼耗能的体外预应力摇摆框架能大幅度降低结构加速度和层间剪力响应,结构位移响应也能得到有效控制。     

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。     

带耗能支撑再生混凝土框架-剪力墙结构振动台试验研究

为了研究带耗能支撑再生混凝土框架-剪力墙结构的抗震能力,进行2个框架-剪力墙结构模型的模拟地震振动台试验研究,其中1个为再生粗骨料混凝土普通框架-剪力墙结构,1个为再生粗骨料混凝土带耗能支撑框架-剪力墙结构。对比分析了2个模型不同受力阶段的动力特性、地震反应及破坏形态,结果表明:耗能支撑能明显提高再生混凝土框架-剪力墙结构的抗震能力,使其较好地满足现行抗震设计规范要求。     

含屈曲约束连接件的钢框架节点抗震性能研究EI北大核心CSCD

基于屈曲约束和损伤控制的思想,提出了一种含屈曲约束连接件的钢框架节点,连接件的一对核心板传递翼缘轴力并平衡梁端弯矩,对核心板设置了由约束板、填充板和梁外伸翼缘组成的屈曲约束系统。对有无设置约束板的两个试件进行了低周往复荷载试验,分析了节点的滞回曲线、骨架曲线、能量耗散和应变分布,考察了约束板对节点滞回性能的影响;采用有限元软件ABAQUS对该节点进行了数值模拟,研究了核心板螺栓和厚度对该节点滞回性能的影响。结果表明:提出的节点可以达到预期的屈曲约束和损伤控制机制,即核心板率先屈服耗能,约束板可防止核心板发生过大的面外屈曲,主体梁柱保持弹性,节点具有稳定的滞回性能和较大的变形能力;核心板上螺栓预紧力决定了核心板是否会滑移,进而影响滞回曲线的饱满程度,核心板厚度主要影响节点刚度、承载力和损伤分布。最后,理论推导了节点的承载力和变形计算公式,给出了节点理论骨架曲线。     

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。     

钢筋混凝土框架-联肢剪力墙结构的地震能量分布研究

基于能量抗震设计需解决的一个重要问题是确定结构累积滞回耗能的分布。该文通过两个具有不同跨高比连梁的钢筋混凝土框架-联肢剪力墙结构,选用一定数量的地震波进行弹塑性动力时程分析,研究了框架-联肢剪力墙结构在地震作用下的累积滞回耗能分配和分布规律。分析研究结果表明:当连梁跨高比合适,可以实现强墙弱(连)梁的屈服模式,连梁可以承担绝大部分耗能,框架梁也可以承担部分耗能,从而降低墙肢的耗能比例,减轻墙肢损伤程度。同时,不同频谱特性地震波虽然不会影响结构中各构件的耗能比例分配,但是会影响各构件的耗能分布模式,因此在确定各构件的层耗能需求时,需要考虑不同耗能分布模式的影响。     

摇摆双调谐质量阻尼器参数优化及动力性能研究EI北大核心CSCD

提出了一种具有更广调频宽度的摇摆双调谐质量阻尼器(dual-tuned mass damper,RDTMD)。首先,建立了单自由度RDTMD减振系统在简谐激励作用下的动力方程,推导得出其位移动力放大系数表达式;然后,基于RDTMD的优化评价函数,编译参数优化程序,获得RDTMD的全局最优参数以及条件最优参数;接着,探讨了阻尼器各参数对系统动力放大系数和调频宽度的影响规律,并对影响其鲁棒性的关键参数做了分析;最后,与传统DTMD、MTMD、TMD的减振效果和鲁棒性做了对比分析。分析结果表明:采用RDTMD对结构进行控制可有效降低主结构的动力响应;RDTMD的调频宽度更广,提高了阻尼器对主结构高阶振型的控制能力;在对装置鲁棒性的影响更大的主结构固有频率方面,RDTMD的鲁棒性明显优于其他同类阻尼器,是一种理想的减振控制装置。     

框架-预应力摇摆墙结构抗震性能试验研究

该文提出了一种框架-预应力摇摆墙新型结构形式,其中摇摆墙脚部混凝土采用橡胶块替代,并通过墙内预埋的无粘结预应力筋与基础进行贯穿连接,摇摆墙与主体框架则采用耗能连接件相连。通过一榀框架试件和一榀框架-预应力摇摆墙试件的拟静力试验,研究了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明：框架-预应力摇摆墙结构的破坏有效地集中在耗能连接件上,梁端、柱端以及梁柱节点区的破坏相对较轻;极限承载能力提升显著,相较对比框架提高了112.4%;耗能能力较对比框架大幅提升,且各层层间变形趋于均匀;耗能连接件发挥出了良好的延性变形能力,且施工方便、造价低,实现了可更换构件与摇摆结构的有机结合。     

多重调谐冲击阻尼器的多目标优化设计研究EI北大核心CSCD

为开发减震性能良好的新型阻尼器,将颗粒阻尼器与多重调谐质量阻尼器(multiple tuned mass dampers,MTMD)相结合,提出一种新型的多重调谐冲击阻尼器(multiple tuned impact dampers,MTID),并对其减震性能进行了优化和对比研究。首先,提出MTID应用于实际工程结构时基于性能的多目标优化设计方法及流程;然后,基于一个20层Benchmark结构,进一步分析了传统设计和优化设计MTID的振动控制性能;最后,对比研究了MTID和MTMD的最优减震性能及工作行程。研究表明,MTID需要一定的启动时间以高效发挥减震性能,待其启动后,可显著减小主体结构的动力响应;优化设计的MTID相比于传统设计具有更优异的减震性能,进而可显著减小主体结构在大震作用下的塑性变形和非线性损伤;MTID和MTMD的最优减震性能较为接近,但MTID的工作行程更小。     

钢框架-钢板墙和组合柱-钢梁框架振动台试验研究EI北大核心CSCD

为深入研究钢框架-钢板剪力墙和钢管混凝土柱-钢梁框架两种典型装配式结构体系的整体抗震性能和拓展其在高烈度区的应用,以甘肃省装配式示范工程中的两栋高层(10层)住宅建筑方案为原型,进行了1/8缩尺模型的地震模拟振动台试验。结果表明,钢框架-钢板剪力墙结构中的钢板剪力墙首先达到屈服状态,随后框架上出现塑性铰,塑性损伤主要集中在钢板墙及相邻梁端,个别1层柱脚出现损伤,体现了“多道抗震防线”的理念,巨震后(1.200g)结构的自振频率降幅约为19.5%(X向)和17.4%(Y向);钢管混凝土柱-钢梁框架结构的损伤主要在1层、4层及5层梁端,1层柱脚也出现少量塑性铰,体现了“强节点弱构件”的设计原则,巨震后结构的自振频率降幅约为19.5%(X向)和17.8%(Y向)。两类结构体系均能实现“小震不坏、大震不倒”的抗震设防目标,具有良好的抗震性能。此外,结构体系的侧向变形模式与整体结构的刚度分布密切相关,并且随着地震动峰值的增大愈加明显,钢框架-钢板剪力墙的抗侧刚度沿着高度呈降低趋势,整体呈现弯曲型的特征,钢管混凝土柱-钢梁框架(1层除外)抗侧刚度沿着高度分布较均匀,整体呈现剪切型的特征。     

钢支撑加固RC框架抗连续倒塌试验与数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究钢支撑对RC框架抗连续倒塌性能的加固效应,在实验室制作了2榀RC平面子框架试件,并对其中1榀框架通过钢支撑进行加固,采用pushdown加载方式研究钢支撑对RC框架破坏模式和抗倒塌承载能力的影响。试验结果表明:钢支撑可以提高峰值荷载超过122%,其承载能力随拉杆的断裂而突然下降;由于压杆在加载初期就发生严重的平面外屈曲破坏,故仅对试件的初始刚度有影响,对峰值荷载作用很小。为进一步量化拉杆与压杆的加固贡献,通过商用有限元软件LS-DYNA进行精细有限元分析。有限元结果进一步验证了试验结果:采用角钢加固RC框架,压杆在加载初期容易发生平面外屈曲,对结构抗力影响不大,抗力提升主要由拉杆提供;通过拓展分析发现:采用防屈曲支撑加固可以显著提升压杆对结构抗力贡献,如压杆使用方钢管混凝土截面比L形截面峰值荷载提升超过42.8%。     

钢框架中可更换橡胶抗弯耗能阻尼器减震性能分析EI北大核心CSCD

为钢框架结构提出一种可更换橡胶抗弯阻尼器,装配于钢梁的端部,不额外占用建筑空间。阻尼器包括橡胶段与保险丝段两部分,可在地震过程中提供分段自适应的被动耗能。首先阐明了此类阻尼器的作用机理,并对其提供了简要的抗震设计方法,并介绍了橡胶材料及橡胶段的动力试验;随后,对一典型钢框架结构进行算例分析,比较使用与未使用阻尼器两种情况下结构的地震响应。计算结果表明:橡胶抗弯可更换耗能阻尼器可为钢框架结构提供有效系统阻尼,通过将耗能与破坏聚集于阻尼器的不同部位,使结构中其他构件基本维持在弹性阶段,从而有效降低或消除结构残余位移;同时,阻尼器中的保险丝段为可更换构件,可显著提高整体结构的抗震性能与震后可恢复性能。     

矩形凹结构转子磁流变阻尼器的设计与优化EI北大核心CSCD

针对传统盘式磁流变阻尼器(magneto-rheological damper,MRD)力矩密度偏低的问题,提出在转子端面构造凹结构以增加有效工作间隙长度,保持结构尺寸紧凑的同时,提高输出力矩密度。分别建立了传统盘式、矩形凹结构和弧形凹结构力矩模型,通过关键尺寸设计和定量对比分析表明,在同等条件下矩形凹结构对提升力矩密度效果更佳。为充分利用矩形凹结构的力矩增益效应,定量地分析了矩形槽位置、槽宽和槽深等关键参数对力矩密度和力矩波动的影响规律,得到了关键参数合理的优化区间。在满足目标设计力矩、线圈功率及确定的参数取值范围前提下,以体积最小为目标函数,对包括矩形凹结构的磁流变阻尼器结构参数进行了优化设计。结果表明,优化后装置力矩密度增幅达23.39%,为矩形凹结构转子阻尼器的实际设计提供了指导。     

轴压比对不同类型ECC框架节点抗震性能影响EI北大核心CSCD

对低周循环荷载下框架节点位移延性系数μ影响因素进行分析,指出轴压比是影响框架节点延性的主控因素。以ECC框架节点中十字型节点和T型节点抗震性能试验为原型,基于有限元软件ABAQUS中CDP模型建立框架节点计算模型,并与试验结果比较,验证了计算模拟的可靠性。基于此,建立轴压比分别为0.3,0.5,0.7和0.9的二级抗震等级下的ECC框架节点计算模型,研究轴压比对不同类型ECC节点抗震性能的影响。结果表明:轴压比对ECC框架节点抗震性能影响明显,十字型及T型节点的耗能能力、刚度退化及位移延性系数与轴压比(0.5-0.9)呈负相关,其构件破坏形态为延性破坏;而在同一轴压比(0.3-0.7)和加载制度下,T型节点的抗震性能要优于十字型节点,位移延性系数增加4.1%-35.1%。为了保证十字型、T型框架节点的抗震性能,建议ECC框架节点设计轴压比应控制在0.5左右。     

考虑土-结构相互作用的海上风力机结构振动控制研究EI北大核心CSCD

利用耦合线性弹簧模型模拟桩基础和土体之间的相互作用,基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象,基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数设计;基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出:考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。