新型自復(fù)位阻尼耗能支撐設(shè)計與抗震性能研究.pdf

1、自復(fù)位耗能支撐通常采用形狀記憶合金、預(yù)應(yīng)力筋等提供恢復(fù)力，而形狀記憶合金的熱彈性馬氏體受溫度影響明顯，變形后需要加熱才能恢復(fù)到初始位置，預(yù)應(yīng)力筋彈性變形較小，工程應(yīng)用受到限制。為此，本文提出一種用組合碟簧提供復(fù)位力、永久磁鐵產(chǎn)生恒定磁場、充分利用磁流變(Magnetorheological，簡稱MR)流體的流變性能耗散地震輸入能量的自復(fù)位阻尼耗能支撐，通過改變碟簧的組合形式滿足支撐對剛度、變形、恢復(fù)力的設(shè)計要求，從而滿足結(jié)構(gòu)對層間位移、

2、抗側(cè)剛度的需求。本文對自復(fù)位阻尼耗能支撐的抗震性能進行了理論分析和試驗研究，建立了能夠準(zhǔn)確描述支撐滯回特性雙Bouc-Wen恢復(fù)力模型，主要內(nèi)容如下:
　　(1)研制一種新型自復(fù)位阻尼耗能支撐，對其構(gòu)造和各受力階段的性能進行了分析。根據(jù)支撐導(dǎo)向軸和內(nèi)管變形、碟簧雙折線模型及MR流體的Bingham模型建立了描述支撐受力性能的分段計算模型。
　　(2)對長為1.5m、庫侖阻尼力為200kN的自復(fù)位阻尼耗能支撐進行了有限元數(shù)值模

3、擬分析，研究了在不同頻率、振幅正弦激勵、不同碟簧初始預(yù)壓力、不同碟簧組合剛度下自復(fù)位阻尼耗能支撐的滯回特性及耗能能力、等效粘滯阻尼比等抗震參數(shù)變化規(guī)律。支撐滯回曲線呈飽滿旗形，支撐的耗能和恢復(fù)力增量與加載振幅增量成正比;隨著加載頻率增加，同位移下的滯回圈更加飽滿，等效粘滯阻尼比隨著加載位移的增大穩(wěn)定減小，表明支撐具備良好的滯回特性和穩(wěn)定耗能能力。將分段計算模型計算結(jié)果與實體單元有限元模擬結(jié)果進行了對比，滯回曲線吻合較好，恢復(fù)力和耗能最大

4、誤差在10％以內(nèi)，表明分段計算模型可以精確描述支撐的滯回特性，對支撐參數(shù)設(shè)計提供重要參考。
　　(3)加工組裝了長為1.5m的自復(fù)位阻尼耗能支撐，對支撐的耗能系統(tǒng)進行了不同頻率、振幅正弦激勵下試驗，試驗表明耗能系統(tǒng)的滯回曲線飽滿，耗能穩(wěn)定，阻尼力隨著加載頻率、振幅的增加而變大，最大粘滯阻尼力占最大阻尼力的40％左右。對不同碟簧初始預(yù)壓下的自復(fù)位阻尼耗能支撐構(gòu)件進行不同頻率、振幅正弦激勵下動力試驗。支撐滯回曲線呈穩(wěn)定飽滿旗形，碟簧初

5、始預(yù)壓力大于耗能系統(tǒng)阻尼力時幾乎沒有殘余變形，碟簧預(yù)壓力與阻尼力相等時，隨著加載頻率和振幅的增大支撐殘余變形逐漸變大，加載結(jié)束后，支撐仍可以恢復(fù)到平衡位置，表明支撐的復(fù)位能力不受粘滯阻尼力增大的影響;碟簧初始預(yù)壓力小于耗能系統(tǒng)庫倫阻尼力時，支撐存在較大的殘余變形，最大殘余變形占最大變形的45％。支撐的耗能能力隨著位移和加載頻率的增大呈非線性增加，粘滯耗能占總耗能的40％左右，具有良好的耗能特性和穩(wěn)定性。
　　(4)為精確模擬支撐在

6、結(jié)構(gòu)非線性分析中的動力特性，對傳統(tǒng)Bouc-Wen模型進行了改進，建立了適用于自復(fù)位阻尼耗能支撐的恢復(fù)力計算模型，并在Simulink環(huán)境下對改進的雙Bouc-Wen模型進行仿真分析，將仿真結(jié)果與支撐有限元模擬分析結(jié)果進行了對比，仿真得到的滯回曲線和有限元模擬得到的滯回曲線吻合較好，承載力和耗能誤差控制在10％。根據(jù)支撐雙Bouc-Wen模型得到的滯回曲線與試驗滯回曲線進行了對比，兩者高度吻合，最大誤差為9.8％，平均誤差均在5％以內(nèi)，

7、表明所建立的雙Bouc-Wen模型可以準(zhǔn)確描述自復(fù)位阻尼耗能支撐的滯回特性。
　　(5)基于OpenSees平臺，對改進的雙Bouc-Wen模型進行二次開發(fā)，并對采用自復(fù)位阻尼耗能支撐和普通防屈曲支撐的9層Benchmark鋼框架結(jié)構(gòu)模型進行了抗震性能對比分析。二次開發(fā)后的雙Bouc-Wen模型可以很好的描述自復(fù)位阻尼耗能支撐旗形滯回特性，在PGA為0.6g的5種地震作用下，與防屈曲支撐結(jié)構(gòu)相比，自復(fù)位阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)最大層間位移