曲面钢板阻尼器及其结构的理论与试验研究

发布时间：2018-03-17 12:19

本文选题：金属阻尼器　切入点：力学性能　出处：《东南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：结构的消能减震技术作为一种被动控制技术,以其有效、安全、经济的特点广泛应用于新建结构、抗震加固及震后修复结构中。在经历较大地震作用时,安装在结构中的消能元件率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震能量,从而减小主体结构及构件的损伤破坏。本文在已有研究的基础上,提出了一种新型的曲面钢板阻尼器,该阻尼器具有构造简单、受力性能明确、稳定性良好的特点。围绕曲面钢板阻尼器的力学性能、安装该阻尼器的混凝土剪力墙和钢框架结构的抗震性能及消能减震结构的抗震设计方法进行了深入系统的研究,主要研究内容和所取得的主要成果如下：(1)研发了一种新型的曲面钢板阻尼器。根据理论知识,推导了该阻尼器的弹性刚度、屈服强度和屈服位移的计算公式。利用数值模拟建立曲面钢板阻尼器模型,对阻尼器各参数对其性能的影响规律进行了分析,钢板厚度和圆弧半径对阻尼器的弹性刚度、屈服荷载和屈服位移均有影响,而钢板宽度对阻尼器的弹性刚度和屈服荷载有影响,对屈服位移无影响。对曲面钢板阻尼器进行应力分析,得到了曲面钢板阻尼器的应力分布情况,其中圆弧末端区域应力较大,圆弧顶端区域应力较小。(2)开展了曲面钢板阻尼器试件的力学性能试验研究。经过对四组曲面钢板阻尼器试件进行标准加载和疲劳加载后,得到的滞回曲线饱满,无捏缩现象,阻尼器钢板无明显裂缝。在试验过程中,阻尼器的性能指标未出现明显下降,经计算阻尼器的延性系数和耗能系数均较大,说明曲面钢板阻尼器具有稳定的滞回性能、良好的耗能能力和很好的塑性变形能力。数值分析的滞回曲线与试验结果能够较好的吻合,且与理论分析得到的力学性能参数相一致,根据试验值、数值模拟值和理论计算值,确定曲面钢板阻尼器计算公式中的系数,最终得到阻尼器力学性能的完整计算公式。(3)开展了带有曲面钢板阻尼器的混凝土剪力墙的低周反复荷载试验研究。提出将混凝土墙体开设缝槽、在缝槽中设置曲面钢板阻尼器的新型剪力墙形式,以增加剪力墙的延性及耗能能力。制作了新型减震剪力墙试件DSW和普通混凝土剪力墙试件SW,施加相同的竖向压力,进行水平力和位移加载。试件DSW的裂缝主要集中在墙肢的上、下端部,试件SW的裂缝由墙体底部向上发展,属于剪切斜向裂缝。试件DSW的滞回曲线更饱满,延性系数和耗能系数更大。通过应力分析可知,试件DSW的阻尼器逐步进入屈服,说明阻尼器参与耗散部分能量。利用数值分析与试验结果进行对比,骨架曲线和受力特点均与试验情况一致。因此,带有曲面钢板阻尼器的混凝土剪力墙具有更好的变形能力、更稳定的耗能性能。(4)开展了安装曲面钢板阻尼器的钢框架模型的振动台试验研究。确定了钢框架模型主要参数的相似比例关系,设计了1：3的缩尺模型,分别输入El-Centro波、Taft波和Washington波,进行了8度(0.3g)多遇地震、设防地震、罕遇地震及9度罕遇地震的振动台试验。带有阻尼器的钢框架结构设为工况1,钢框架结构设为工况2,工况1的结构频率明显大于工况2,随着地震波输入加速度峰值的增大,结构频率有减小的趋势,说明阻尼器在此过程中屈服后刚度发生变化。阻尼器对加速度、位移均有明显的控制作用。随地震加速度峰值增大,阻尼器的滞回面积逐步变大,参与耗散更多的地震能量,且底层的阻尼器比上层阻尼器先进入屈服。利用SAP2000软件对工况1和工况2进行模拟,与实测结果吻合度较好。(5)提出了一种用于减震结构设计计算的自适应加速遗传算法。通过经典数学模型的测试,表明所提出的自适应加速遗传算法具有收敛效果好、误差小和收敛速度快的特点。利用此方法对金属阻尼器的位置进行优化,采用位移、加速度双指标的目标函数,能够较好的得出阻尼器相应的最优布置,从而达到充分发挥阻尼器的减震效用的目的。对消能减震结构中的屈服位移比和刚度比进行参数分析,确定了其最优取值范围。(6)研究了消能减震结构基于位移的抗震设计方法。分析并确定了“使用良好”、“生命安全”和“防止倒塌”三个性能水准,推导了采用金属阻尼器的消能减震结构等效阻尼比公式。以八层钢筋混凝土框架结构为例,进行了基于位移的全过程设计,并对结构进行了动力时程分析的验证,结果证明基于位移设计的消能减震结构是安全的,所提出的方法可行,能够实现预期的性态设计要求。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU352.1

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