面向时变阻尼比-位移双目标的防屈曲支撑减震体系设计方法

附加阻尼比是消能减震体系设计中的重要性能参数,传统方法采用阻尼器滞回耗能和减震体系总应变能的比值作为量化结果,并通常采用双线性模型计算防屈曲支撑滞回耗能,计算精度较低。采用积分方法推导能够精确反映阻尼器滞回性能的Bouc-Wen模型的滞回能量显式化解析表达式,并提出分别基于应变能法和模态阻尼耗能法的时变附加阻尼比计算方法。为了准确控制减震体系的阻尼比,将减震体系层间位移角不超限和附加有效阻尼比作为控制目标,阻尼器的布置方案和阻尼力的大小作为设计变量,提出面向阻尼比-位移双目标的减震体系设计方法和流程。对一钢混框架减震体系进行迭代设计和分析,确定计算时变滞回能量的合理时段长度,并对不同的时变阻尼比计算方法进行比较。结果表明：基于应变能法的附加阻尼比偏大,不利于结构安全,建议采用模态阻尼耗能法的平均值表征附加有效阻尼比。     

位移放大型黏弹性减震系统力学模型与地震响应分析

针对消能减震结构在层间位移较小时耗能效率欠佳的问题,提出了一种可将结构层间位移放大的黏弹性阻尼器,并建立了位移放大型阻尼系统的力学模型,完成了位移放大2.5倍的黏弹性阻尼器和普通黏弹阻尼器的力学性能对比试验,最后通过算例分析探讨了不同减震结构的地震响应。所提出的力学模型与试验结果吻合。位移放大型阻尼器的出力和耗能相比普通阻尼器被有效地放大。多遇地震下,附加位移放大型黏弹性阻尼器减震结构的附加阻尼比显著提升,阻尼耗能是普通减震结构的1.98倍。     

黏滞阻尼减震框架结构基于预设阻尼分布模式的简化设计方法

提出了一种适用于黏滞阻尼减震框架结构基于性能需求和概念优化的设计方法以简化此类减震结构的阻尼参数设计过程。为使得阻尼器能够更有效发挥其耗能作用,从概念角度假定阻尼参数沿楼层的分布与结构层间位移角成正相关的关系,并给出了阻尼参数的分布表达式。在此预设阻尼分布模式下,推导了多层减震结构等效附加阻尼比与各层附加阻尼参数的关系。结合基于性能的设计理念,提出以减震比作为减震设计目标,减震结构的需求附加阻尼比可根据减震比和抗震设计反应谱的阻尼衰减关系来确定,结合预设阻尼参数分布表达式即可快速计算出各层的需求阻尼参数。给出了所提出方法的具体实施流程,并对一个框架结构进行了增设黏滞阻尼器的减震设计和抗震性能验算,设计实例表明该方法具有设计目标明确、计算过程简单、参数配置合理等特点。     

新型高阻尼黏弹性阻尼器性能试验研究

设计制作3个高阻尼黏弹性阻尼器,对其进行变形相关性和频率相关性的性能试验、疲劳性能试验及老化性能试验,以最大剪应力、存储剪切模量和等效黏滞阻尼比为指标研究阻尼器的性能规律,采用通用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:该阻尼器滞回曲线饱满、力学性能稳定,具有较强的耗能性能和大变形能力,抗疲劳性能和抗老化性能良好。变形对该新型高阻尼黏弹性阻尼器力学性能指标的影响明显,加载频率对其影响较小。Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果吻合良好。     

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。     

微细耗能颗粒对调频型颗粒阻尼器减震效果影响研究

为明确调频型颗粒阻尼器(Tuned Particle Damper,TPD)减震效果的关键影响因素和附加微细耗能颗粒对土木工程领域用调频型颗粒阻尼器减震效果的影响,以某钢筋混凝土框架结构为原型,设计制作了1∶30的缩尺试验模型及可用于该试验模型的调频型颗粒阻尼器,基于选定的TPD参数,通过在阻尼器腔体中附加不同质量的微细耗能铁粉颗粒,利用振动台试验对附加微细耗能颗粒前后调频型颗粒阻尼器减震效果的变化进行了研究。结果表明:依据设计的TPD附加微细耗能颗粒后仍能较有效降低结构在地震作用下的位移响应;激励强度是影响其控制效果的关键因素,随着激励强度的增加,附加微细耗能颗粒TPD的控制效果趋于提高;附加微细耗能颗粒后TPD的减震效果略有降低,土木工程领域颗粒与腔体间相对运动提供的调谐作用是影响TPD减震效果的重要因素。     

黏滞阻尼器在时程分析下的附加有效阻尼比研究

为了研究消能减震结构中黏滞阻尼器在时程分析中所提供的附加有效阻尼比,从阻尼力做功(阻尼能)的角度出发,建立阻尼能与附加有效阻尼比在时程过程中的关系,提出附加有效阻尼比的理论计算公式,并建立有限元分析模型来验证该公式,对比消能减震结构与等效结构的阻尼能。结果表明,该阻尼比计算公式比现有的其它公式具有更强的通用性及合理性,适用于计算黏滞阻尼器在任意时程分析过程中的附加有效阻尼比,且消能减震结构与等效结构具有相同的阻尼能。     

具有复位功能的阻尼耗能支撑滞回模型与抗震性能研究

在传统磁流体阻尼器基础上提出了一种具有复位功能的阻尼耗能支撑,对传统Bouc-Wen模型进行了改进,建立了适用于阻尼耗能支撑的恢复力计算模型,并在Simulink环境下对改进的双Bouc-Wen模型进行仿真分析,将仿真结果与支撑有限元模拟分析结果进行了对比;基于OpenSees平台,对改进的双Bouc-Wen模型进行二次开发,并对采用具有复位功能的阻尼耗能支撑和普通防屈曲支撑的9层Benchmark钢框架结构模型进行了抗震性能对比分析。结果表明,双Bouc-Wen模型仿真得到的滞回曲线与有限元模拟得出的滞回曲线吻合较好,可以很好地描述阻尼支撑旗形滞回特性,具有复位功能的阻尼支撑可有效减小钢结构的最大层间位移及震后残余变形,阻尼耗能支撑结构具备良好的可恢复性。     

面向损伤控制的减震结构体系阻尼比解析计算及性能设计EI北大核心CSCD

与基于力、基于位移及基于能量的设计方法相比,基于损伤的结构抗震设计方法能够更全面直接地确定或评估结构抗震性能。由于缺乏消能部件附加等效阻尼比与主体结构损伤程度之间的关系表征,目前基于损伤的减震结构性能设计方法只能通过消能器设计参数的迭代调整分析实现预期损伤。针对以上不足,从能量耗散角度剖析了减震结构主体部分损伤机理,通过弹塑性耗能差率损伤模型建立减震结构附加等效阻尼比与损伤指数之间的定量关系,并提出消能部件在地震动下的动态附加等效阻尼比计算方法。在此基础上结合地震易损性分析方法提出面向损伤控制的减震结构体系性能设计流程。通过算例表明阻尼比解析计算准确,该流程具有通用简便、不需迭代等优点,能够将主体结构的损伤程度有效控制至预期损伤目标。该方法也可以兼容基于位移的设计方法,且具有更严格的概率统计意义。     

黏滞阻尼器耗能增效减震系统理论及试验研究

鉴于传统消能减震系统在层间位移较小时耗能效率有限,介绍了一种带位移放大装置的黏滞阻尼器增效减震系统,可通过放大阻尼器的相对变形提升系统耗能能力。基于该系统变形受力特性构建了其耗能增效及高阶效应力学模型,发现在阻尼器拉伸和压缩变形过程中存在不对称现象,进一步讨论了模型参数对力学性能的影响规律。设计制作了试验模型,并完成了在正弦荷载的作用下的往复加载试验。通过对比试验结果与理论曲线验证了理论力学模型的正确性,并通过试验探讨了频率相关性与疲劳性能。最后针对某框架?剪力墙减震结构进行地震响应分析,结果表明较少数量的带位移放装置的黏滞阻尼器增效减震系统可实现数倍普通阻尼器的增效减震效果。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

基于性能的调谐冲击阻尼器优化设计研究

基于一个20层非线性benchmark结构,研究了优化设计的调谐冲击阻尼器(TID)系统的减震效果以及相对于传统设计的优越性。首先采用参数识别算法得到原有限元模型的降阶模型,然后基于该降阶模型,提出了基于性能的优化设计方法对TID系统的参数进行优化设计,最后分析原有限元模型附加优化的TID系统的减震效果。研究结果表明:经过优化设计的TID系统减震率相比传统设计提高了约50%;同时塑性铰数量从无控结构的86个减少到62个,而对于传统设计,塑性铰的数量不变,只是在楼层的分布发生改变。相比传统的阻尼器参数设计方法,基于性能的TID系统优化设计不仅能降低主体结构的位移和层间位移角,而且能减少非线性结构的塑性铰数量和塑性耗能,进而减少结构在大震下的损伤。     

基于建筑需求的新型黏滞阻尼器开敞式布置机构研究

黏滞阻尼器耗能减震结构的减震效果与阻尼器在结构中的安装方式密切相关,已有黏滞阻尼器布置机构主要考虑结构减震需求和安装连接简单方便,而未考虑建筑需求。针对现有黏滞阻尼器布置机构占用结构框格内空间、阻碍视野的不足,提出了一种新型黏滞阻尼器开敞式布置机构。介绍了开敞式布置机构的构造与工作原理,并对机构的力学性能进行理论分析,推导了位移放大系数和等效阻尼比计算公式。设计并制作了一个设置黏滞阻尼器开敞式布置机构的钢框架试件,给试件施加正弦位移激励,分析了开敞式布置机构在动力作用下的受力性能,以及在不同位移幅值、频率工况下,框架侧移与阻尼器两端相对位移之间的关系,验证了该文提出的位移放大系数计算公式的准确性。采用SAP2000对比分析了一个无控钢框架结构,以及设置阻尼器对角布置机构和开敞式布置机构后的减震性能,验证了该新型布置机构在实际工程中应用的可行性。     

调谐型颗粒阻尼器简化力学模型及其参数计算方法研究与减震桥梁试验

介绍了调谐型颗粒阻尼器, 进行了基于该阻尼器减震高架连续梁桥缩尺模型的振动台试验;建立了该阻尼器的数值分析简化力学模型, 提出了该模型等效阻尼比的能量估算方法, 并对该阻尼器的减震控制效果进行了有限元数值模拟. 试验与数值模拟结果表明:调谐型颗粒阻尼器可以有效降低高架连续梁桥的地震响应;上述简化力学模型和参数估算方法可以有效模拟调谐型颗粒阻尼器的减震控制效果, 可为基于颗粒阻尼器的土木工程结构减震设计参考.     

非线性结构利用摩擦阻尼器振动控制的优化设计

研究了强烈地震作用下非线性结构中摩擦阻尼器的参数优化问题。非线性结构的恢复力和摩擦阻尼器的滞回特性分别用连续的Bouc-Wen模型表示,利用遗传算法以相对性能指标为目标函数对阻尼器的参数进行优化,比较了不同地震波下摩擦阻尼器的减震效果。取一个八层结构为例进行计算,结果表明,摩擦阻尼器能有效地减小非线性建筑结构在强烈地震下的响应,Bouc-Wen模型能够较好地模拟摩擦阻尼器的滞回性能,使用遗传算法优化后摩擦阻尼器的参数,提高了结构的减震效果。     

基于能量法的调谐黏性质量阻尼器地震响应预测式研究

建立附加调谐黏性质量阻尼器的多层钢框架结构,简要分析其力学模型。建立能量平衡方程,并给出主结构弹性振动能、阻尼器弹性振动能、阻尼器黏性阻尼耗能的表达式,推导出剪力系数和层间位移的预测式。提出质量阻尼能量分散系数和黏性阻尼能量分散系数的简化计算公式。利用时程分析法验证了预测式和简化计算公式的准确性。利用位移降低率和剪力降低率的不同线性组合得出不同使用要求下的阻尼器优化置放量。结果表明:(1)简化计算公式能够近似地计算能量分散系数;(2)本文的预测式包络时程分析法的结果,能够比较准确地预测结构的地震反应;(3)当采用优化分布规律,质量比为0.2,刚度比为0.8,阻尼器阻尼比为0.8时,各种使用要求下的减震效果最佳。     

开槽U型金属屈服阻尼器横向性能试验研究

在隔震层安装金属屈服阻尼器可以有效控制隔震层在地震下的位移。由于隔震层在地震下产生多向变形,因此要求安装在隔震层中的金属屈服阻尼器需具有多向的变形能力。既往研究表明U型金属屈服阻尼器在面内具有良好的耗能能力,对于提高结构阻尼比,控制隔震结构的位移具有非常显著的作用。然而关于其面外性能的深入研究尚未见报道。提出了开槽U型阻尼器以提高其面外性能,并通过拟静力试验考察了阻尼器宽度,高度,以及长度对其面外性能的影响,实验表明合理设计的开槽U型阻尼器具有良好的耗能能力和低周疲劳性能。同时采用有限元方法补充了试件的数量,进行了参数分析。根据参数分析的结果提出了开槽型U型金属屈服阻尼器的屈服位移,屈服恢复力设计公式。另一方面,根据虚功原理提出了开槽U型阻尼器的极限恢复力计算公式,并通过试验结果与有限元模型的计算结果校对了该公式的精度和适用范围。     

O型钢板-高阻尼黏弹性复合型消能器的力学性能试验与分析

提出了一种由O型钢板金属阻尼器与高阻尼黏弹性阻尼器并联而成的复合型消能器,阐述了其构造形式和工作机理,对其进行了低周反复加载试验。研究结果表明:复合型消能器具有较强的变形能力和饱满的滞回曲线;其力学性能稳定,受加载频率影响较小;该消能器兼具位移型阻尼器与速度型阻尼器的优点,小变形时,黏弹性阻尼器发挥主要的耗能作用,O型钢板金属阻尼器提供一定的附加刚度,大变形时,二者共同耗能;相比单一类型的消能器,该复合型消能器提高了阻尼力和抗震安全储备;采用Bouc-Wen模型建立了该消能器的力学模型,计算结果与试验结果吻合较好。     

分级屈服型金属套管阻尼器减震理论与试验研究

传统金属屈服型阻尼器通常只针对中大震设计,在小震下难以发挥耗能减震作用,且存在震后不易观测实用状态和不便更换等不足。为此提出一种新型金属套管阻尼器,利用具有不同屈服性能的钢条分别耗能,具有多级屈服功能。考虑耗能钢条两端半刚性节点的影响,推导并得到该阻尼器的性能参数计算公式。对阻尼器进行拟静力试验,明确该阻尼器的破坏特征和耗能机理。对试验进行有限元精细化模拟,通过应力云图验证阻尼器具有多级屈服特性。将理论计算、试验及有限元模拟得到的性能参数进行对比。结果表明,该阻尼器有效实现了分级屈服的设计目标,并具备良好的耗能能力,提出的性能参数计算公式精度较高,通过理论计算和有限元模拟得到的阻尼器性能参数与试验结果吻合较好,验证有限元模型的合理性和精确性。     

采用向量式有限元的斜拉索振动控制仿真

采用向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element(VFIFE)),建立斜拉索模型,通过给空间点增加附加作用力来模拟阻尼器对斜拉索的作用。模拟了拉索激振和振动衰减的过程,利用Hilbert变换处理拉索的衰减时程,得到拉索的附加阻尼比,分析了阻尼器的线性粘滞阻尼系数、阻尼器内刚度、阻尼器运动部分质量、阻尼器支撑刚度,及斜拉索垂度对附加阻尼比的影响;并将结果与附加阻尼比通用计算公式计算结果进行对比。结果表明,采用VFIFE建立斜拉索-阻尼器系统能准确地模拟阻尼器对斜拉索的振动控制作用;模拟得到的结果与通用计算公式给出的结论相符;系统存在最优阻尼系数和最优阻尼比;阻尼器内刚度的增大和支撑刚度的减小将降低系统阻尼比;阻尼器运动部分质量的增大将增大系统阻尼比;拉索垂度对第1阶模态阻尼比的降低影响较大,对于高阶模态的影响很小。