新型軟鋼阻尼器及其結(jié)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)消能減振技術(shù)是一種有效的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，在工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它利用安裝在結(jié)構(gòu)中的耗能裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲、剪切或扭轉(zhuǎn)等彈塑性滯回變形來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。本文在已有的理論基礎(chǔ)上，對(duì)平面內(nèi)彎曲耗能模式的軟鋼耗能裝置進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了一種新型的拋物線形軟鋼阻尼器，該種形狀的阻尼器具有全長(zhǎng)截面同時(shí)屈服的特點(diǎn)，并且可通過(guò)選擇不同的截面系數(shù)對(duì)阻尼器的恢復(fù)力曲線進(jìn)行調(diào)整。圍繞拋物線形軟鋼阻尼器及其結(jié)構(gòu)

2、的性能試驗(yàn)這個(gè)主題，對(duì)拋物線形軟鋼阻尼器的設(shè)計(jì)及參數(shù)分析、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和抗震分析方法等進(jìn)行深入研究，主要研究?jī)?nèi)容和所取得的主要成果包括:
　　 (1)拋物線形軟鋼阻尼器的的設(shè)計(jì)、分析
　　 闡述了新型軟鋼阻尼器的設(shè)計(jì)原理，確定阻尼器的形狀為拋物線形，給出了截面設(shè)計(jì)公式，并據(jù)此推導(dǎo)出拋物線形軟鋼阻尼器的力學(xué)性能的理論計(jì)算公式。利用有限元軟件對(duì)影響阻尼器力學(xué)性能的參數(shù)進(jìn)行了分析。截面系數(shù)對(duì)阻尼器的力學(xué)性能影響最大，由純彎曲假定

3、及所推導(dǎo)力學(xué)性能計(jì)算公式的精確性可確定截面系數(shù)的最大值，從滯回曲線、能量耗散系數(shù)和應(yīng)力分布確定截面系數(shù)的取值范圍。中間過(guò)渡段長(zhǎng)度對(duì)阻尼器的力學(xué)性能影響不大，但對(duì)應(yīng)力分布有影響。阻尼器肢數(shù)對(duì)力學(xué)性能及應(yīng)力分布影響較小。阻尼器計(jì)算長(zhǎng)度是否考慮圓弧段和連接段對(duì)計(jì)算值有一定的影響，從理論計(jì)算值與有限元計(jì)算值的誤差分析確定了計(jì)算長(zhǎng)度的取值。
　　 (2)力學(xué)性能試驗(yàn)
　　 對(duì)拋物線形軟鋼阻尼器進(jìn)行了兩組力學(xué)性能試驗(yàn)，兩組試件經(jīng)歷標(biāo)

4、準(zhǔn)加載和循環(huán)加載后，產(chǎn)生了比較均勻的塑性變形，滯回曲線飽滿，無(wú)捏縮，沒(méi)有明顯的低周疲勞現(xiàn)象，主要性能指標(biāo)沒(méi)有下降，工作狀況穩(wěn)定，相同位移下的試驗(yàn)曲線幾乎完全重合，說(shuō)明阻尼器具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的塑性變形能力，是一種理想的耗能元件。對(duì)兩組試驗(yàn)的骨架曲線分析可以看出，該阻尼器的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為雙線性模型。沿試件長(zhǎng)度方向布置七個(gè)三向應(yīng)變片，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變的變化情況進(jìn)行了研究。除中心測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)沿試件長(zhǎng)度方向的應(yīng)變和主應(yīng)變隨加載位移

5、同步變化，且變化情況一致，充分體現(xiàn)了拋物線形軟鋼阻尼器的特點(diǎn)。建立了有限元模型對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的滯回曲線、應(yīng)力分布和力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。有限元分析所得到的應(yīng)力分布及滯回性能與試驗(yàn)結(jié)果相一致，所計(jì)算的力學(xué)性能參數(shù)與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果和理論分析結(jié)果相當(dāng)吻合，說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算公式能準(zhǔn)確地反映阻尼器的力學(xué)性能，可以用于軟鋼阻尼器的設(shè)計(jì)。
　　 (3)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)
　　 設(shè)計(jì)了軟鋼阻尼器-鋼框架體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的縮尺模型，研究

6、了鋼框架結(jié)構(gòu)體系欠人工質(zhì)量模型彈塑性階段的相似關(guān)系，推導(dǎo)了軟鋼阻尼器的各參數(shù)的相似關(guān)系，對(duì)裝有軟鋼阻尼器的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)分為安裝三種不同布置方式的阻尼器及不安裝阻尼器四種工況，計(jì)算了各工況的自振頻率。軟鋼阻尼器為結(jié)構(gòu)提供了附加剛度，使結(jié)構(gòu)體系的自振頻率增大。但阻尼器安裝在不同的位置，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響不同，因此自振頻率也不同。軟鋼阻尼器三種不同的布置方式均有效地減小了層間位移和加速度響應(yīng)。不同阻尼器布置方式及不同的地震波

7、作用，對(duì)層間位移和加速度的控制效果不同。如果結(jié)構(gòu)各層剛度相同，阻尼器的布置方式應(yīng)從底層開(kāi)始向上層布置，隔層布置控制效果稍差些。研究了軟鋼阻尼器的滯回曲線，阻尼器在地震荷載作用下性能穩(wěn)定，能有效地消耗地震能量。對(duì)第一、二和三層安裝了軟鋼阻尼器的試驗(yàn)工況進(jìn)行了有限元分析，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)較為吻合，說(shuō)明所建有限元模型能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，可使用該模型對(duì)模型結(jié)構(gòu)及原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)做進(jìn)一步分析。
　　 (4)軟鋼阻尼器的分

8、數(shù)階力學(xué)模型及分?jǐn)?shù)階振動(dòng)方程的數(shù)值計(jì)算
　　 基于雙線性模型，提出了軟鋼阻尼器最大恢復(fù)力相等的剛度-阻尼模型，該力學(xué)模型能較好地與試驗(yàn)曲線相吻合。為了更好地描述軟鋼阻尼器的力學(xué)性能，把剛度-阻尼模型推廣到分?jǐn)?shù)階范圍，建立了軟鋼阻尼器的分?jǐn)?shù)階恢復(fù)力模型，并比較了不同分?jǐn)?shù)階階次對(duì)恢復(fù)力模型的影響。建立了多自由度體系在地震波作用下的分?jǐn)?shù)階運(yùn)動(dòng)方程，利用濾波器對(duì)分?jǐn)?shù)階微分進(jìn)行近似，通過(guò)狀態(tài)方程研究安裝軟鋼阻尼器的框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)

9、力響應(yīng)。對(duì)軟鋼阻尼器簡(jiǎn)化為線性模型和非線性模型分別編制了分?jǐn)?shù)階振動(dòng)方程動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算程序。這兩種簡(jiǎn)化模型各有優(yōu)劣，分?jǐn)?shù)階線性模型計(jì)算簡(jiǎn)便，分?jǐn)?shù)階非線性模型需要對(duì)剛度和阻尼矩陣實(shí)時(shí)更新，計(jì)算稍微復(fù)雜，但結(jié)果更精確。
　　 (5)軟鋼阻尼器-鋼框架體系分?jǐn)?shù)階振動(dòng)方程的減震分析
　　 在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)軟鋼阻尼器分別采用等效線性模型和等效非線性模型建立軟鋼阻尼器-鋼框架體系的分?jǐn)?shù)階振動(dòng)方程，研究了分?jǐn)?shù)階階次取不同值時(shí)

10、結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。從時(shí)程曲線看，計(jì)算層間位移和層加速度時(shí)程曲線與實(shí)測(cè)曲線能較好地吻合。結(jié)構(gòu)的最大層間位移響應(yīng)與層加速度響應(yīng)分析結(jié)果表明，不同階次的分?jǐn)?shù)階模型計(jì)算結(jié)果與階次為1時(shí)的趨勢(shì)一致。隨著分?jǐn)?shù)階階次的增大，計(jì)算層間位移和加速度逐漸減小。通過(guò)兩種分?jǐn)?shù)階模型的計(jì)算可以看出，分?jǐn)?shù)階線性模型計(jì)算簡(jiǎn)便，雖然計(jì)算結(jié)果略小于實(shí)測(cè)值，但可以取小于1的分?jǐn)?shù)階階次，使計(jì)算結(jié)果較傳統(tǒng)的整數(shù)階模型更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，分?jǐn)?shù)階非線性模型計(jì)算結(jié)果更精確