一种新型碟形弹簧自复位耗能器及其在结构中的应用研究

发布时间：2020-04-26 15:41

【摘要】：自复位耗能器是一种新型的减震装置,该装置在结构中不但能起到普通支撑和耗能器的作用,而且在震后能使结构复位到初始位置或者弹性变形范围内,可有效减小或者避免结构的残余变形。然而,由于其构造繁琐、受力性能复杂、安装精度要求高、有时存在预应力损失等不足,导致实际工程中难以推广应用。因此,本文提出了一种新型碟形弹簧自复位耗能器,对其进行理论分析,采用ABAQUS建立了有限元模型,并对该自复位耗能器进行变参分析,研究了该耗能器的耗能性能和复位性能,最后对设置该耗能器的多层钢框架结构进行反应谱分析和时程分析。本文主要研究内容和结论如下:(1)提出了一种新型碟形弹簧自复位耗能器,主要由耗能装置、复位装置和传位装置3部分组成,介绍了该耗能器的构造组成、组装方式、工作过程和设计流程,建立了耗能装置、复位装置和该耗能器的理论力学模型。(2)利用ABAQUS软件建立该碟形弹簧自复位耗能器的有限元模型,将数值模拟结果与理论分析的计算结果进行对比分析,结果表明:两种曲线吻合较好,验证了有限元模型建立的合理性。(3)研究对拉螺栓预紧力、对拉螺栓垂直间距、H型滑动主板端板的厚度、外摩擦板与H型滑动主板的接触面积、圆形内套筒壁厚五个参数对碟形弹簧自复位耗能器的复位性能和耗能性能的影响。分析结果表明:H型滑动主板端板厚度、圆形内套筒壁厚和外摩擦板与H型滑动主板的接触面积对该耗能器耗能性能影响不明显,但是对复位性能影响较大,且随着端板厚度、套筒壁厚和接触面积的增加,复位性能逐渐增加,最后趋于稳定;随着对拉螺栓预紧力的增加,耗能性能增加,但复位性能逐渐减小;随着对拉螺栓间距的减小,耗能性能先增加后减小。(4)运用SAP2000软件分别对原钢框架结构、设置普通支撑的钢框架结构以及设置该碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构分别建立模型,进行反应谱分析,比较三种结构的抗震性能。结果表明:设置了本文提出的碟形弹簧自复位耗能器框架结构的耗能效果最优。(5)选用Ⅱ类场地条件下两条实际记录地震波和一条人工波,分别对原钢框架结构、设置普通支撑的钢框架结构以及设置该碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构进行多遇地震作用下的时程分析,研究了三种结构的结构最大顶点位移、结构最大顶点加速度两个参数。结果表明:设置碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构和设置普通支撑的钢框架结构的结构最大顶点位移比原钢框架的分别平均减小71.18%和46.90%;设置碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构的顶点位移和结构顶点加速度比设置普通支撑的钢框架结构的分别平均减小45.72%和13.93%;碟形弹簧自复位耗能器可以有效减小钢框架结构的结构顶点位移。(6)分别对设置碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构、设置普通支撑的钢框架结构进行罕遇地震作用下的时程分析,研究了两种结构的结构最大顶点位移、结构最大顶点加速度两个参数。结果表明:设置碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构的结构顶点位移和结构顶点加速度比设置普通支撑的钢框架结构的平均减小46.16%和23.32%;设置碟形弹簧自复位耗能器的钢框架结构比设置普通支撑的钢框架更能有效减小钢框架结构的地震响应。
【图文】：

耗能器,自复位,工作过程

(d)图 1.1 自复位耗能器工作过程简图复位耗能器的研究现状05 年，Tremblay[10]等研究施加预应力的混凝土梁的性能，发现预应力能够残余变形。该次研究发现启发了他将预应力应用到传统耗能器上的想法，传统耗能器的特性，设计了一种新型预应力自复位耗能器，这是最初的自计原理。由于自复位耗能器不但拥有传统耗能器优良的耗能性能，还兼具点，能够减小或者避免结构的残余变形，因此自复位耗能器的研究受到国睐。复位耗能器分类依据有很多种，其中，按照耗能形式不同可以分为，自复器、自复位防屈曲耗能器和自复位粘滞阻尼耗能器这三种类型。由于目前滞阻尼耗能器的文献不足，下面只介绍自复位摩擦型耗能器和自复位防屈

摩擦型,半主动控制,纵向截面,自复位

一旦耗能装置受力超过预应力筋的极限弹性应力，则自复位支撑就会存在残余变形。针对以上自复位材料的缺点，周中哲[16~17]于 2012 年提出一种新型的全钢双核心自复位支撑，采用双重复位装置设置，相当于并联两束预应力筋，，可以在保持预应力不变的情况下预应力筋的变形减小一倍。制作了 3 个足尺的 SCB 试件进行了往复加载试验，在层间位移角加载到 2%时，预应力筋拉应变保持在 1.07%以内，且此时支撑轴力已达1000kN。结果表明双重复位装置不但能够在保证一定轴向压力下减小预应力筋变形，而且能够有效的减小自复位耗能器的残余变形。当对试件进行破坏实验时，该种支撑的破坏形式主要有预应力筋拉出和断裂，因此对于预应力筋的锚固与选取应综合考虑。2012 年 Osman E Ozbulut 和 Stefan Hurlebaus 提出一种新型的半主动控制的摩擦型自复位耗能器[18](图 1.2)。该支撑在螺栓与摩擦板之间设置应变片，通过改变摩擦板阻力的大小实现半主动控制，并研究了设置该支撑的 20 层框架结构的地震响应。结果表明：该支撑能根据地震的大小敏捷的控制滑动摩擦力的大小，从而有效消的除结构的残余变形。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TU352.1

【参考文献】