新型自复位阻尼耗能支撑设计与抗震性能研究

发布时间：2018-02-03 22:07

  本文关键词： 自复位阻尼耗能支撑 性能试验 Bouc-Wen模型 滞回特性 抗震性能 残余变形　出处：《北京交通大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自复位耗能支撑通常采用形状记忆合金、预应力筋等提供恢复力,而形状记忆合金的热弹性马氏体受温度影响明显,变形后需要加热才能恢复到初始位置,预应力筋弹性变形较小,工程应用受到限制。为此,本文提出一种用组合碟簧提供复位力、永久磁铁产生恒定磁场、充分利用磁流变(Magnetorheological,简称MR)流体的流变性能耗散地震输入能量的自复位阻尼耗能支撑,通过改变碟簧的组合形式满足支撑对刚度、变形、恢复力的设计要求,从而满足结构对层间位移、抗侧刚度的需求。本文对自复位阻尼耗能支撑的抗震性能进行了理论分析和试验研究,建立了能够准确描述支撑滞回特性双Bouc-Wen恢复力模型,主要内容如下:(1)研制一种新型自复位阻尼耗能支撑,对其构造和各受力阶段的性能进行了分析。根据支撑导向轴和内管变形、碟簧双折线模型及MR流体的Bingham模型建立了描述支撑受力性能的分段计算模型。(2)对长为1.5m、库仑阻尼力为200kN的自复位阻尼耗能支撑进行了有限元数值模拟分析,研究了在不同频率、振幅正弦激励、不同碟簧初始预压力、不同碟簧组合刚度下自复位阻尼耗能支撑的滞回特性及耗能能力、等效粘滞阻尼比等抗震参数变化规律。支撑滞回曲线呈饱满旗形,支撑的耗能和恢复力增量与加载振幅增量成正比;随着加载频率增加,同位移下的滞回圈更加饱满,等效粘滞阻尼比随着加载位移的增大稳定减小,表明支撑具备良好的滞回特性和稳定耗能能力。将分段计算模型计算结果与实体单元有限元模拟结果进行了对比,滞回曲线吻合较好,恢复力和耗能最大误差在10%以内,表明分段计算模型可以精确描述支撑的滞回特性,对支撑参数设计提供重要参考。(3)加工组装了长为1.5m的自复位阻尼耗能支撑,对支撑的耗能系统进行了不同频率、振幅正弦激励下试验,试验表明耗能系统的滞回曲线饱满,耗能稳定,阻尼力随着加载频率、振幅的增加而变大,最大粘滞阻尼力占最大阻尼力的40%左右。对不同碟簧初始预压下的自复位阻尼耗能支撑构件进行不同频率、振幅正弦激励下动力试验。支撑滞回曲线呈稳定饱满旗形,碟簧初始预压力大于耗能系统阻尼力时几乎没有残余变形,碟簧预压力与阻尼力相等时,随着加载频率和振幅的增大支撑残余变形逐渐变大,加载结束后,支撑仍可以恢复到平衡位置,表明支撑的复位能力不受粘滞阻尼力增大的影响;碟簧初始预压力小于耗能系统库伦阻尼力时,支撑存在较大的残余变形,最大残余变形占最大变形的45%。支撑的耗能能力随着位移和加载频率的增大呈非线性增加,粘滞耗能占总耗能的40%左右,具有良好的耗能特性和稳定性。(4)为精确模拟支撑在结构非线性分析中的动力特性,对传统Bouc-Wen模型进行了改进,建立了适用于自复位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,仿真得到的滞回曲线和有限元模拟得到的滞回曲线吻合较好,承载力和耗能误差控制在10%。根据支撑双Bouc-Wen模型得到的滞回曲线与试验滞回曲线进行了对比,两者高度吻合,最大误差为9.8%,平均误差均在5%以内,表明所建立的双Bouc-Wen模型可以准确描述自复位阻尼耗能支撑的滞回特性。(5)基于OpenSees平台,对改进的双Bouc-Wen模型进行二次开发,并对采用自复位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。二次开发后的双Bouc-Wen模型可以很好的描述自复位阻尼耗能支撑旗形滞回特性,在PGA为0.6g的5种地震作用下,与防屈曲支撑结构相比,自复位阻尼耗能支撑结构最大层间位移角均值减小11.54%,与原钢框架结构相比,最大层间位移角均值减小53.3%。此外,自复位阻尼耗能支撑结构残余变形相比原钢框架结构减小了 95%以上,相比防屈曲支撑结构减小了 85%,自复位阻尼耗能支撑具备良好的耗能能力和自恢复性。
[Abstract]:Since the reduction of energy dissipation usually uses shape memory alloy, prestressed tendons provide restoring force, and the thermal elastic martensitic shape memory alloy is significantly influenced by temperature, heating to return to the initial position after deformation, the elastic deformation of prestressed reinforcement is smaller, engineering application is limited. Therefore, this paper presents a combination disk spring provide reset force of permanent magnet produces a constant magnetic field, make full use of the magneto rheological (Magnetorheological, referred to as MR) support self reset damping energy dissipation of seismic energy rheological properties of fluid, meet support deformation on the stiffness, through a combination of formal change of the disc spring, the design requirements of the restoring force, so as to meet the structure of the interlayer displacement, lateral the stiffness of the demand. This paper carries out theoretical analysis and experimental study on seismic performance of supporting self reset damping energy, was established to accurately describe the hysteretic characteristics of double Bouc- Wen鎭㈠�嶅姏妯″灒�

本文编号：1488475