摆式惯容-零二次刚度自复位阻尼器并联加固双柱墩抗震性能研究

提出一种由摆式惯容(PI)和零二次刚度自复位阻尼器(ZSCD)并联组成的新型阻尼系统(IZSCD),用以加固钢筋混凝土双柱墩,以减轻自复位支撑加固对双柱墩桥基底剪力及加速度的不利影响。通过对IZSCD加固结构单自由度线性化系统的卷积积分和数值时程分析,提出并验证了含惯容系统位移反应谱。基于该反应谱,用直接基于位移设计(DDBD)方法对IZSCD加固双柱墩进行抗震设计,并用弹塑性时程分析验证了设计结果。进而研究了惯质比和杠杆放大比等对加固结构抗震性能的影响。结果表明,所提出IZSCD能有效减小自复位加固双柱墩桥的加速度和基底剪力。该研究提出了一种兼顾位移、加速度和基底剪力的双柱墩自复位加固技术,并为该类加固结构的抗震设计提供指导。

自复位阻尼器及被动控制结构的数值模拟

为了评价利用记忆合金阻尼器减震的被动控制结构的力学性能,针对利用预压的弹簧组回位和预拉记忆合金丝组耗能的自复位阻尼器,采用Brinson本构并根据应变分析记忆合金材料的应力,同时利用弹塑性模型模拟弹簧应力,在Matlab中编制模拟阻尼器位移与力关系的程序,模拟结果与试验结果吻合。在此基础上将该程序应用于被动控制结构的地震响应分析和评价,并在Matlab中编制了采用Wilson-θ法求解结构地震响应的程序。对底层安装有自复位SMA阻尼器的3钢框架模型进行时程分析,结构的层间位移峰值最大减震率为22.44%。

设有形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析

为了使隔震结构体系能够同时获得良好的隔震特性及震后自复位能力,利用形状记忆合金(SMA)材料的相变伪弹性性能,研制了一种SMA自复位隔震阻尼器,并将其与叠层橡胶垫联合应用,提出了一种新的自复位隔震装置.为了验证这种新型隔震装置的有效性,文中根据SMA材料的热力学本构关系,建立了有关热力学非线性方程的求解方法,并通过对这种隔震装置力学特性的深入研究,提出了相应的力学分析和计算模型,同时依据剪切型层模型理论,编制了这类隔震结构的弹塑性时程分析程序,进行了一些工程实例的计算分析.研究结果表明,这种隔震装置不仅可以大大减轻地震对上部结构的影响,而且还具有很好的震后自复位能力,为进一步研究自复位隔震装置的特性及层间隔震技术奠定了理论基础.

一种变摩擦自复位阻尼器的设计与分析

设计了一种变摩擦自复位的阻尼器。该阻尼器主要是通过平面和坡面来实现变摩擦功能,通过形状记忆合金的形状记忆效应来实现自复位功能。在施加弹簧预紧力的情况下,分析了整个过程的工作原理,给出了整个工作过程下的力学计算模型,并得到了该阻尼器理想的滞回曲线。利用ANSYS有限元软件分析了阻尼器各个元件的在三组预紧力下的应力,满足强度要求。得到了应用有限元软件的滞回曲线,与理论的滞回曲线较吻合,验证了理论滞回曲线的正确性。

基于位移放大型变刚度自复位阻尼器的滞回性能研究

为解决传统阻尼器屈服后刚度和强度不足的问题,基于分阶段抗震设计理念,研发一种基于位移放大型变刚度自复位阻尼器(self-centering dampers based on variable stiffness and displacement amplification,SDVD),能够兼顾结构在不同变形阶段的刚度和承载力需求。该阻尼器主要由子模块初始刚度模块(initial stiffness module,ISM)和变刚度模块(variable stiffness module,VSM)组成,基于阻尼器的构造,分析其子模块及整个阻尼器的工作机理;以ISM和VSM的长度和宽度为参数,设计并制作模块ISM和VSM及SDVD整体的模型试件,通过拟静力试验研究子模块及整个阻尼器的滞回性能;通过有限元模型(finite element model,FEM)研究阻尼器滞回性能的参数影响规律。研究结果表明:该阻尼器表现出拉压对称的旗帜形滞回特性,同时具有位移放大效应和变刚度特性;通过对比分析,由有限元分析得到的阻尼器滞回曲线与拟静力试验结果吻合较好;SDVD的初始刚度和强度主要由ISM提供,并且随着ISM丝束长度的减小而增加;SDVD的屈服后刚度和承载力主要由VSM提供,且随着VSM挡杆宽度的减小而增加。

布设自复位SMA摩擦阻尼器的框架结构减震优化设计方法研究

建筑结构消能减震优化设计是通过调整消能减震装置在结构中的布设位置和布设数量,以满足不同水准地震作用下结构受力变形需求。该文将形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)和摩擦材料相结合,提出了一种新型自复位SMA阻尼器,将其布设于框架结构中以降低结构的地震响应。以四水准抗震设防目标下结构峰值层间位移角为约束条件,建立了基于循环迭代法和回溯搜索优化算法的两阶段结构减震优化设计方法。第一阶段通过在结构中逐次增设阻尼器数量开展循环迭代,寻求结构中阻尼器使用总数量;第二阶段使用基于全局搜索机制的回溯搜索优化算法开展二次优化计算。通过上述方法对9层Benchmark钢框架结构进行了减震优化设计,结果表明:所提出的两阶段减震优化设计方法可得到经济合理的阻尼器布设方案,优化后结构各楼层层间位移角沿楼层分布更为均匀,在阻尼器总数量最小的情况下保证减震结构在地震作用下可满足预设的层间位移角限值。

阻尼器力学性能研究综述

我国地震灾害频发,带来的损失巨大,在建筑结构上安装阻尼器等耗能减震装置可以增强结构的抗震性能。本文对摩擦阻尼器、变摩擦阻尼器、自复位阻尼器三种阻尼器的国内外研究现状进行总结。据统计,地球上每天要发生上万次地震,这种破坏力极强的自然灾害给人类的生命财产安全带来了巨大伤害。然而地震的发生具有不可预测性,因此应当做好防震措施,提高建筑抗震能力,做到“小震不坏,中震可修,大震不倒”。传统的抗震方式是通过加强建筑本身的强度和刚度降低地震带来的伤害,但是这种“以刚克刚”的做法具有较大的局限性,其在小震面前或许有效,但面对较大等级的地震依旧会面临倒塌的危险,甚至对自身结构带来更大的损伤。

含形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析

为了使隔震结构体系能够同时获得良好的隔震特性及震后自复位能力,本文利用形状记忆合金(SMA)材料在相变伪弹性阶段具有较好阻尼性能这一特点,采用SMA自复位阻尼器与常规叠层橡胶垫组合成自复位隔震装置。根据SMA材料相变伪弹性的本构模型,对SMA自复位阻尼器在反复循环荷载下的力学行为进行了数值模拟,得到了相应的滞回耗能曲线。提出了一种针对SMA自复位阻尼器的分段线性化恢复力模型,并依据剪切型层模型理论,编制了设有SMA自复位阻尼器隔震结构在地震作用下的弹塑性时程分析程序,对设有这种新型隔震装置工程结构进行地震反应分析。分析结果表明,这种隔震装置不仅可以大大减轻地震对上部结构的影响,而且还具有很好的震后复位能力,因此具有较好的工程应用前景。

并联高强钢环簧组自复位抗震阻尼器研制与试验研究

该文在高强钢环簧自复位阻尼器的基础上,提出一种并联高强钢环簧组自复位阻尼器。通过滞回试验验证并联环簧组自复位阻尼器在多次地震工况下的抗震性能。试验结果表明,并联高强钢环簧组自复位阻尼器具有良好的自复位能力,可经历多次地震后不出现性能退化,震后无须更换。同采用单组环簧的自复位阻尼器相比,同等尺寸下可有效提高阻尼器承载力,充分利用阻尼器内部空间。环形弹簧接触表面摩擦条件不同对自复位阻尼器的性能有一定影响。该文提出的理论预测模型与试验结果较为吻合。

一种新型自复位SMA-剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析

利用形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)的超弹性以及金属铅的屈服耗能特性,开发出一种新型复合耗能自复位阻尼器,由形状记忆合金丝、剪切型铅块以及复位弹簧组成,其特点是结构简单、制作方便,同时具有高耗能及自复位功能。制作了阻尼器模型,并进行了力学试验,研究了在循环荷载作用下不同加载速率、不同位移幅值对其力学性能的影响。建立阻尼器的力学模型对其进行了数值模拟,结果表明:新型阻尼器在循环荷载作用下滞回性能稳定,利用形状记忆合金与铅同时工作耗能,阻尼器具有良好的耗能能力;复位弹簧的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了力学模型的正确性。

新型自复位SMA阻尼器对框架结构减震控制的研究

利用形状记忆合金(SMA)的超弹性提出一种新型自复位SMA阻尼器,该阻尼器由预应变SMA丝束和非预应变SMA丝束连接4块钢板组成,具有良好的耗能及复位功能,且构造简单、传力明晰。对阻尼器进行单轴拉压循环力学试验,研究位移幅值和荷载频率对其输出力-位移曲线以及割线刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比和残余位移等力学参数的影响。建立阻尼器的理论模型,数值计算证明该模型能够反映阻尼器的主要滞回性能。编写消能减震结构的地震弹塑性时程分析程序,计算阻尼器对一三层剪切型框架结构的减震控制,结果表明阻尼器能有效抑制结构的位移、层间位移和残余位移,但会增大结构加速度。

新型自复位变摩擦阻尼器力学性能研究

研制了一种新型自复位变摩擦阻尼器。该阻尼器由圆柱螺旋压缩弹簧和耗能摩擦单元串联而成,通过铣削钢板实现变摩擦力,并控制圆柱螺旋压缩弹簧的预压力大于摩擦单元的最大输出力,实现自复位功能。本文对该阻尼器进行了拉压循环力学试验,并分别研究了扭矩、位移幅值和加载频率对其滞回曲线和力学参数(单位循环耗能、割线刚度、和等效阻尼比)的影响。利用ABAQUS有限元分析软件建立了实体单元模型,并对其进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了试验结果的正确性。

基于OpenSees的自复位型SMA阻尼器对偏心框架结构振动控制的理论研究

基于OpenSees软件平台建立了超弹性形状记忆合金(Shape memory alloy,简称SMA)的有限元本构模型,并对其进行二次开发,以模拟材料的双向力学行为;建立了自复位型SMA阻尼器的有限元力学模型;数值研究了阻尼器控制下的一六层偏心框架结构的振动响应,结果表明:阻尼器可有效抑制结构的平动位移和扭转角响应,但会增加结构的加速度.

新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器试验研究

基于“多种耗能机制共同耗能”的思想,同时利用形状记忆合金的自复位能力,研制出一种新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器,详细阐述了该装置的构造及工作原理。制作了试验试件,并通过力学试验研究了循环荷载作用下,位移幅值、加载速率对阻尼器力学性能的影响。建立了阻尼器的恢复力模型,利用非线性有限元软件ANSYS Workbench对其进行了数值模拟。结果表明:新型阻尼器在循环荷载作用下呈现出位移相关性,利用形状记忆合金与摩擦板协同工作耗能,阻尼器具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;残余位移控制在26.25%以内,形状记忆合金丝的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了文中提出的恢复力模型的正确性。

自复位黏滞阻尼器抗震性能研究

工程中消能减震技术采用的消能装置种类众多,大部分具有良好的耗能能力,在提升建筑结构抗震性能中被广泛使用。现今研究表明震后残余位移对结构的修复使用具有重要意义,因此如何有效减小震后残余位移成为工程界强烈关注的问题。相较于普通阻尼器,1种具有自复位能力的阻尼器成为新方向。以1幢6层混凝土框架结构为例,安装1种新型的自复位黏滞阻尼器,在有限元软件OpenSees中进行模拟计算,分析单参数指标和多参数指标进行抗震性能分析。研究结果表明,自复位黏滞阻尼器不仅可以有效耗散地震能量,降低结构地震响应,提高结构的抗震性能,而且可以依靠阻尼器旗帜型的滞回曲线为结构提供回复力,高效地减小结构的残余位移,甚至可以消除残余位移,为震后结构正常使用提供了保障,同时表明残余位移对于评估自复位黏滞阻尼器在框架减震作用中具有重要意义。

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明:阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。

自复位黏滞阻尼器的构造设计与抗震韧性提升

为提高建筑结构抗震韧性,提出了一种将环簧阻尼器和黏滞阻尼器并联的自复位黏滞阻尼器构造,分析其工作原理,在元件和构件层次分别进行了静力和动力试验研究。试验结果表明:自复位黏滞阻尼器构造合理,在不同振动频率下表现出良好的自复位能力与无损伤耗能能力。采用基于性能的塑性设计方法,设计了屈曲约束支撑钢框架、自复位环簧支撑钢框架和自复位黏滞阻尼支撑钢框架,对比分析不同结构体系的地震响应。分析结果表明:基于性能的塑性设计方法可以实现自复位黏滞阻尼支撑钢框架的性能目标;在一致的性能目标下,自复位黏滞阻尼支撑钢框架相比自复位环簧支撑钢框架具有更低的承载力需求,降低了结构用钢量,同时降低了楼层加速度响应,减少非结构构件损失;相比屈曲约束支撑钢框架,具有与之相当的消能减震效果,同时能够有效地控制结构残余变形,进而提高结构的抗震韧性。

预压碟簧自复位黏滞阻尼器受力性能试验研究

针对自复位支撑耗能能力不足的问题,提出了适用于自复位支撑框架结构的预压碟簧自复位黏滞阻尼器,介绍了该自复位黏滞阻尼器的构造方案、工作原理以及理论恢复力模型,分别对自复位黏滞阻尼器的碟簧自复位系统和黏滞耗能系统进行了性能测试,并将两个系统集成为一个整体阻尼器,对其开展力学性能试验研究。研究结果表明:设计的自复位黏滞阻尼器集成了碟簧自复位系统和黏滞耗能系统的优势,具有典型的旗帜形滞回特征,其耗能能力随着加载速率的增大而增大;加载过程中由于黏滞阻尼力的存在而产生的残余变形随着碟簧自复位系统初始预压力的增大而减小,加载结束时该残余变形基本消除。该阻尼器实现了在高加载速率下增强耗能、在低加载速率下提升自复位性能的性能目标。所提出的自复位黏滞阻尼器恢复力模型与试验结果吻合较好。

一种新型自复位黏滞阻尼器的性能及应用

为进一步提高框架结构震后可修复性,降低建筑物地震残余位移,提出了增设自复位黏滞阻尼器加固方案。建立了自复位黏滞阻尼器的力学模型,利用一组黏滞阻尼器力学性能试验进行了验证,分析了3种初始压力下阻尼力特征,提出了单自由度框架安装黏滞阻尼器的抗震简化计算方法,并利用时程分析进行了验证。结果表明:在同一初始预压力下,随着加载频率的提高,屈服阻尼力、峰值阻尼力、耗能和等效阻尼比随之增大;在相同加载频率和位移幅值下,随着预压力的增大,屈服阻尼力、峰值阻尼力和能量耗散提高。时程分析表明随着结构周期增大,位移需求增大,自复位阻尼器方案框架底部剪力与普通阻尼器方案基本一致,普通阻尼器方案位移需求大于自复位阻尼器方案。自复位黏滞阻尼器可以用于高烈度区框架结构的抗震加固,相比于普通黏滞阻尼器具有较好的抗震性能。

基于高强钢环簧的摩擦耗能自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

可恢复功能结构是目前地震工程研究的热点,也是未来发展趋势,以可恢复功能结构为背景,提出了基于高强钢环簧摩擦耗能的自复位消能减震阻尼器,分析了阻尼器的工作原理并给出了构造方案。通过低周往复加载试验考察多次序列地震作用下阻尼器的抗震性能。试验结果表明:采用高强钢环簧的自复位消能减震阻尼器变形能力可调节、自复位性能优良;滞回性能稳定,具有良好的抗震可恢复性;环簧锥形摩擦面处理工艺对阻尼器自复位性能与耗能能力会产生一定影响,当摩擦系数增大时,自复位性能有所降低,但耗能能力增大;所提出的阻尼器理论刚度预测公式计算结果与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。