新型軟鋼阻尼器及其結構的理論和試驗研究.pdf

1、結構消能減振技術是一種有效的結構控制技術，在工程中得到越來越廣泛的應用。它利用安裝在結構中的耗能裝置產生摩擦、彎曲、剪切或扭轉等彈塑性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減小主體結構的地震響應。本文在已有的理論基礎上，對平面內彎曲耗能模式的軟鋼耗能裝置進行了改進，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截面同時屈服的特點，并且可通過選擇不同的截面系數(shù)對阻尼器的恢復力曲線進行調整。圍繞拋物線形軟鋼阻尼器及其結構

2、的性能試驗這個主題，對拋物線形軟鋼阻尼器的設計及參數(shù)分析、振動臺試驗和抗震分析方法等進行深入研究，主要研究內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計、分析
　　 闡述了新型軟鋼阻尼器的設計原理，確定阻尼器的形狀為拋物線形，給出了截面設計公式，并據(jù)此推導出拋物線形軟鋼阻尼器的力學性能的理論計算公式。利用有限元軟件對影響阻尼器力學性能的參數(shù)進行了分析。截面系數(shù)對阻尼器的力學性能影響最大，由純彎曲假定

3、及所推導力學性能計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)和應力分布確定截面系數(shù)的取值范圍。中間過渡段長度對阻尼器的力學性能影響不大，但對應力分布有影響。阻尼器肢數(shù)對力學性能及應力分布影響較小。阻尼器計算長度是否考慮圓弧段和連接段對計算值有一定的影響，從理論計算值與有限元計算值的誤差分析確定了計算長度的取值。
　　 (2)力學性能試驗
　　 對拋物線形軟鋼阻尼器進行了兩組力學性能試驗，兩組試件經歷標

4、準加載和循環(huán)加載后，產生了比較均勻的塑性變形，滯回曲線飽滿，無捏縮，沒有明顯的低周疲勞現(xiàn)象，主要性能指標沒有下降，工作狀況穩(wěn)定，相同位移下的試驗曲線幾乎完全重合，說明阻尼器具有穩(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。對兩組試驗的骨架曲線分析可以看出，該阻尼器的力學模型可以簡化為雙線性模型。沿試件長度方向布置七個三向應變片，對試驗過程中應變的變化情況進行了研究。除中心測點外，其他測點沿試件長度方向的應變和主應變隨加載位移

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。建立了有限元模型對試驗構件的滯回曲線、應力分布和力學性能參數(shù)進行分析，并與試驗結果進行對比。有限元分析所得到的應力分布及滯回性能與試驗結果相一致，所計算的力學性能參數(shù)與試驗測定結果和理論分析結果相當吻合，說明設計計算公式能準確地反映阻尼器的力學性能，可以用于軟鋼阻尼器的設計。
　　 (3)振動臺試驗
　　 設計了軟鋼阻尼器-鋼框架體系振動臺試驗的縮尺模型，研究

6、了鋼框架結構體系欠人工質量模型彈塑性階段的相似關系，推導了軟鋼阻尼器的各參數(shù)的相似關系，對裝有軟鋼阻尼器的鋼框架結構進行了振動臺試驗。試驗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，計算了各工況的自振頻率。軟鋼阻尼器為結構提供了附加剛度，使結構體系的自振頻率增大。但阻尼器安裝在不同的位置，對結構剛度的影響不同，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。不同阻尼器布置方式及不同的地震波

7、作用，對層間位移和加速度的控制效果不同。如果結構各層剛度相同，阻尼器的布置方式應從底層開始向上層布置，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。對第一、二和三層安裝了軟鋼阻尼器的試驗工況進行了有限元分析，有限元計算結果與實測較為吻合，說明所建有限元模型能較為準確地反映結構的動力性能，可使用該模型對模型結構及原型結構的動力響應做進一步分析。
　　 (4)軟鋼阻尼器的分

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

9、力響應。對軟鋼阻尼器簡化為線性模型和非線性模型分別編制了分數(shù)階振動方程動力響應的數(shù)值計算程序。這兩種簡化模型各有優(yōu)劣，分數(shù)階線性模型計算簡便，分數(shù)階非線性模型需要對剛度和阻尼矩陣實時更新，計算稍微復雜，但結果更精確。
　　 (5)軟鋼阻尼器-鋼框架體系分數(shù)階振動方程的減震分析
　　 在振動臺試驗的基礎上，對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-鋼框架體系的分數(shù)階振動方程，研究了分數(shù)階階次取不同值時

10、結構體系在地震作用下的動力響應。從時程曲線看，計算層間位移和層加速度時程曲線與實測曲線能較好地吻合。結構的最大層間位移響應與層加速度響應分析結果表明，不同階次的分數(shù)階模型計算結果與階次為1時的趨勢一致。隨著分數(shù)階階次的增大，計算層間位移和加速度逐漸減小。通過兩種分數(shù)階模型的計算可以看出，分數(shù)階線性模型計算簡便，雖然計算結果略小于實測值，但可以取小于1的分數(shù)階階次，使計算結果較傳統(tǒng)的整數(shù)階模型更接近實測結果，分數(shù)階非線性模型計算結果更精確