新型格栅式摩擦阻尼器减震结构的试验与理论研究
发布时间：2020-08-26 15:05
【摘要】：强震下因薄弱层失效机制导致的结构破坏或倒塌对生命财产安全构成极大的威胁,以往研究中给出了一些将不利失效机制转化成整体失效机制的对策。消能减震装置具有对结构体系改变小、适用范围广等特点,为不利失效机制的转化提供了一种方法,其中,摩擦型阻尼器通过摩擦耗能来减小结构薄弱部位的地震响应,但存在屈服后刚度不足的问题,小震下可为结构提供足够的刚度,当阻尼器发生相对滑动后,屈服后刚度骤减,这对强震下薄弱层失效机制控制十分不利。如何改善摩擦阻尼器的屈服后刚度以及刚度改善后对薄弱层失效机制的影响是需要解决的两个主要问题。基于用硬化行为补偿屈服后刚度的思想,本文研发了一种带有屈服后硬化刚度的新型格栅式摩擦型阻尼器(Lattice-Shaped Friction Devices,简称LSFD),从构造原理上解释了屈服后硬化刚度的产生机理;为研究屈服后硬化刚度对结构薄弱层的影响,开展了相关的性能试验和理论研究。此外,针对以往减震结构能量设计方法假定主体结构弹性与实际不符且经济性较差的问题,提出了考虑结构损伤的消能减震结构能量设计方法。具体如下:(1)对带有屈服后硬化刚度的LSFD开展了性能试验研究。综合考虑阻尼器竖杆的几何非线性、摩擦耗能机制和加工精度等影响,推导了阻尼器出力计算公式。开展了黄铜和无石棉有机物两种摩擦材料的拟静力试验,分析了两种材料的滞回特性以及摩擦系数与扭矩系数比的变化规律并给出了系数比的建议值。通过格栅式摩擦型阻尼器耗能单元(Lattice-Shaped FrictionUnit,简称LSFU)的拟静力试验分析了阻尼器的滞回性能,结果表明,研发的阻尼器具有屈服后刚度硬化行为和多阶段耗能特性,试验结果与计算公式结果趋势基本一致。(2)设计了带有薄弱层的两层钢框架结构,开展了装有LSFD减震结构、普通摩擦耗能支撑(Friction Brace Damper,简称FBD)减震结构和无控结构的振动台试验,分析了 FBD屈服后刚度不足对带有薄弱层结构抗震性能的影响,重点研究了 LSFD的屈服后硬化刚度对薄弱层失效机制的控制效果。研究表明:中小震下两种减震结构控制效果差别不大,大震下装有LSFD减震结构的层间位移角分布更为均匀,能够有效控制结构薄弱层失效,而装有FBD减震结构的变形集中现象严重,对薄弱层抑制效果较差。(3)对LSFU和减震结构开展了数值模拟研究。建立了拟静力试验中LSFU的实体单元模型和简化模型,两种数值模拟方法的计算精度和计算效率对比结果表明,实体单元模型与试验结果拟合效果好,计算精度高,但计算效率低;而简化模型可模拟LSFD的屈服后硬化刚度,在计算成本和计算效率方面具有明显的优势。对振动台试验的LSFD减震结构模型和无控结构模型分别数值模拟,结果表明简化模型与试验结果拟合效果较好,可用于减震结构性能分析。以10层钢框架结构为例,用LSFD进行了加固设计,并与装有FBD减震结构和无控结构对比分析,证明了简化模型的实用性以及LSFD对薄弱层结构具有抑制作用,与试验结论一致。(4)针对带有屈服后硬化刚度滞回型阻尼器的减震结构,提出了基于位移的抗震设计改进方法。在总结该类阻尼器特点的基础上,建议了通用的滞回模型并定义了两个主要控制参数。提出了将减震结构的附加阻尼比转化为等效屈服强度的位移改进方法并给出了等效屈服强度的分配原则。对8层钢筋混凝土框架结构进行加固设计并对比了在三种地震水平下有控和无控结构的地震反应,证明了该方法的有效性。(5)基于主-从分布的滞回能量分配原则,开展了一种考虑主结构损伤的消能减震结构能量设计方法研究,该方法结合预期的主结构损伤程度,通过延性系数构建了损伤指数与等效阻尼比的关系并给出了设计流程,分别对采用该方法建立的模型和采用主结构弹性方法建立的模型进行了时程对比分析,结果表明该方法减少了迭代次数,求解过程简单,较好地实现了性能化抗震设计目标。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.1;TU317
【图文】：
形的累积必然会导致结构构件出现损伤，甚至发生倒塌，这种被动的抗震策略，往往是逡逑通过增大构件截面、提高配筋率等来实现“硬抗”邋Ｗ，然而构件刚度增大的同时地震作逡逑用往往也会增大，结构安全性难以保证，建造成本也相应会X椉樱迹保哺隽舜硇藻义系卣鹨鸬姆课莸顾苹怠＝昀此孀沤峁沟母卟慊透丛踊庵帧坝部埂笨拐鸩呗藻义隙越峁沟卣鸱从刂菩Ч⒉焕硐胪币膊痪谩Ｏ芗跽鸺际踝魑恢直欢刂品椒ǎ义霞汗惴河τ玫礁髦质导式峁梗桑础保础俊ｅ义希ǎ幔╁澹玻埃埃改赉氪ǎ福凹肚空疱危ǎ猓╁澹玻埃保澳旰５兀罚臣肚空疱义贤迹保泊硇缘卣鹨鸱课莸顾苹靛义希疲椋纾澹保插澹拢酰椋欤洌椋睿纾箦澹悖铮欤欤幔穑螅邋澹悖幔酰螅澹溴澹猓澹颍澹穑颍澹螅澹睿簦幔簦椋觯邋澹澹幔颍簦瑁瘢酰幔耄澹箦义希玻义
本文编号：2805331
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.1;TU317
【图文】：
形的累积必然会导致结构构件出现损伤，甚至发生倒塌，这种被动的抗震策略，往往是逡逑通过增大构件截面、提高配筋率等来实现“硬抗”邋Ｗ，然而构件刚度增大的同时地震作逡逑用往往也会增大，结构安全性难以保证，建造成本也相应会X椉樱迹保哺隽舜硇藻义系卣鹨鸬姆课莸顾苹怠＝昀此孀沤峁沟母卟慊透丛踊庵帧坝部埂笨拐鸩呗藻义隙越峁沟卣鸱从刂菩Ч⒉焕硐胪币膊痪谩Ｏ芗跽鸺际踝魑恢直欢刂品椒ǎ义霞汗惴河τ玫礁髦质导式峁梗桑础保础俊ｅ义希ǎ幔╁澹玻埃埃改赉氪ǎ福凹肚空疱危ǎ猓╁澹玻埃保澳旰５兀罚臣肚空疱义贤迹保泊硇缘卣鹨鸱课莸顾苹靛义希疲椋纾澹保插澹拢酰椋欤洌椋睿纾箦澹悖铮欤欤幔穑螅邋澹悖幔酰螅澹溴澹猓澹颍澹穑颍澹螅澹睿簦幔簦椋觯邋澹澹幔颍簦瑁瘢酰幔耄澹箦义希玻义
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