基于压电纤维复合材料半主动干摩擦阻尼器的设计与实验研究

针对薄壁结构的振动问题,设计了一种铺设压电纤维复合材料(Macro-Fiber Composite,MFC)的波纹形柔性干摩擦阻尼器。介绍了波纹形半主动干摩擦阻尼器的结构形式和驱动原理。通过准静态试验探究了阻尼器在不同电压序列下输入电压与输出正压力的关系,揭示了MFC驱动变形的迟滞非线性,并据此提出了局部线性化的驱动方案,规避了迟滞非线性给正压力控制带来的挑战。在此基础上,对安装上述阻尼器的悬臂梁结构开展了振动试验。结果表明,在设计工况下该阻尼器的减振效果良好,质量占比仅为5%的阻尼器即可使振动峰值下降79%;该半主动干摩擦阻尼器显著拓宽了有效工作范围,当振动水平为设计工况的9倍时,通过MFC驱动调控正压力,减振比例仍可保持在约75%,避免了阻尼效果的大幅衰减。

新型双重自复位摩擦阻尼器试验及数值模拟

为提升阻尼器的复位性能,提出了由复位弹簧与形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)组成的双重复位驱动体系,设计了新型双重自复位摩擦阻尼器,概述了其构造及工作原理。通过往复加载试验,考察了预紧力、加载位移幅值及复位弹簧组件刚度对阻尼器复位性能及耗能性能的影响;确定了阻尼器简化力学模型并进行数值模拟分析。结果表明:增大预紧力虽能提高阻尼器耗能性能,但同时增大了残余变形率;在预紧力和加载位移幅值较大的情况下,双重复位体系对阻尼器卸载后残余变形率的降低更加显著,有利于提升有高耗能需求的阻尼器的复位性能;简化力学模型与OpenSees有限元模拟得到的阻尼器滞回曲线、力学性能参数与试验结果吻合程度较高,验证了力学模型的准确性。通过有限元模拟分析了各功能部件对阻尼器整体性能贡献,分析结果反映了摩擦耗能装置对阻尼器整体耗能性能的贡献较好,并且复位弹簧对阻尼器复位性能的贡献随着预紧力的增大而愈加明显。

变摩擦装配式自复位复合墙抗震性能研究

针对自复位墙体耗能不足及大位移角时损伤严重的问题,介绍了一种变摩擦装配式自复位复合墙.墙体由变摩擦阻尼器、钢脚、预应力筋和复合墙构成:变摩擦阻尼器的摩擦力随滑移量的增加而增加,具有良好的耗能能力;钢脚提高了墙角抗压强度并提供了变摩擦阻尼器安装空间;预应力筋为墙体提供了自复位能力和部分承载能力;复合墙具有轻质、高强、绿色环保的特点.为进一步研究该墙体的抗震性能,对3块自复位复合墙进行了低周往复试验,分析不同初始预应力、碟簧组合形式对试件破坏形态、滞回特征、承载力、刚度退化、自复位能力和耗能能力的影响.研究结果表明:试件仅在墙底部出现少量混凝土表皮剥落,表现出良好的低损伤特点;试件在1.0%位移角时最大残余位移角为0.85%,表现出自复位特点;各试件的单圈耗能随着位移角的增加而迅速增加,表现出良好的耗能能力;初始预应力提高至1.9倍,导致承载力增加至1.3倍,而残余位移角降低至60%;阻尼器碟簧组合的并联数量增加至2倍,导致墙体的承载力增加至1.5倍,耗能能力增加至2倍,残余位移角增加至4.6倍.此外,建立了自复位复合墙数值分析模型,数值模型分析结果与试验结果较为吻合.随后进行了参数分析,发现预应力筋根数、螺栓初始预紧力和钢脚宽度对墙体的承载能力或耗能能力具有较大影响.

基于大直径SMA杆的摩擦复合阻尼器滞回性能研究

提出一种兼具自复位和高耗能的新型形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)摩擦复合阻尼器,该阻尼器由SMA杆自复位装置和摩擦耗能装置并联组成,可以实现大直径SMA杆和摩擦阻尼器协同工作。首先,对经过高温热处理的直径10 mm的SMA杆进行室温下循环拉伸试验,并对其力学性能进行数值模拟,模拟结果和试验结果吻合较好。其次,利用Abaqus有限元分析软件建立了阻尼器的数值模型,分析了位移幅值、摩擦力和SMA杆直径对阻尼器等效刚度、单位循环耗能和等效阻尼比等力学性能的影响。研究结果表明:新型SMA摩擦复合阻尼器滞回曲线呈现“旗帜”型,具有良好的自复位和耗能能力。随着摩擦力的增大,阻尼器的耗能能力增强,但残余位移变大;随着SMA杆直径的增大,阻尼器的刚度及承载力变大,同时残余位移减小。

形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器对偏心结构振动控制的研究

采用自行研制的SMA-摩擦串联复合阻尼器控制偏心结构的平扭耦联振动。SMA-摩擦串联复合阻尼器能根据结构的地震响应自动调节耗能单元工作状态,且构造简单、经济实用。建立了SMA-摩擦串联复合阻尼器控制下偏心结构在双向水平地震作用下的运动方程,并编写程序计算结构的时程响应。以一六层剪切型偏心钢框架为例,计算结果表明:合理布置的阻尼器能有效抑制结构质心位移和质心层间位移,且对扭转振动的控制效果更佳;阻尼器对结构质心平移加速度的影响不大,但显著改变了扭转加速度。

泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器性能试验研究

基于泡沫铝/聚氨酯复合材料(aluminum foam/polyurethane,简称AF/PU)是一种同时具有铝材料的摩擦性能和聚氨酯的黏弹性的复合材料,由此研制出一种能够发挥黏弹性阻尼器和摩擦阻尼器各自耗能特点的泡沫铝/聚氨酯复合材料摩擦阻尼器(AF/PU摩擦阻尼器),并对该阻尼器进行位移幅值、频率等相关性的性能试验和疲劳性能试验。以最大输出力、刚度和阻尼比为指标,研究该阻尼器的性能规律,采用修正的Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明:AF/PU摩擦阻尼器的滞回曲线饱满,具有较高且稳定的阻尼比。该阻尼器的力学性能随位移幅值和循环次数的增加而呈现分阶段性,但是加载频率的影响却较小,该阻尼器是一种典型位移幅值相关的变刚度摩擦阻尼器。修正的Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果二者吻合良好。

SMA复合支座与磁流变阻尼器的双重隔震体系减震效果分析

为了进一步改善SMA复合支座在强震下的隔震效果,特别是当复合支座的水平剪切变形较大时,将SMA复合支座与磁流变阻尼器相结合,建立一种基于SMA复合支座与磁流变阻尼器的双重隔震体系及其力学模型,并与单纯的SMA复合支座隔震进行对比。仿真分析表明,该体系不仅能够大幅度地减小隔震层的水平侧移,有效地保护隔震装置,而且能使上部结构的层间位移与加速度反应得到有效的控制,从而提高隔震建筑的减震效果和可靠性。

自复位复合阻尼器对斜拉桥的横向减震性能影响研究

为了提高桥梁结构安全性,本文提出采用摩擦阻尼器与SMA丝构成的复合阻尼器,并研究复合阻尼器对地震作用下的飘浮大跨斜拉桥震动控制效果。建立了SMA的线性化恢复力模型,并通过SAP2000中的MEL元、塑性WEN单元、HOOK单元的组合建立SMA和摩擦阻尼器的恢复力模型,并对其进行了数值分析,同时给出塔梁固接以及安装阻尼器的飘浮大跨斜拉桥在强震作用下的振动控制仿真分析结果。结果表明:本文给出的方法可以较好地模拟SMA双旗形以及摩擦阻尼器双线性等非线性恢复力特征。同时相对于塔梁固接体系来说,复合阻尼器可有效减小墩塔底部的弯矩,同时对主梁中间位移也能起到一定的控制作用。本文提出的复合阻尼器能够有效减小斜拉桥的地震响应,使其不但能够用于新建桥梁,还可以用于既有桥梁的加固改造中,其成果可为实际工程应用提供参考。

SMA弹簧-摩擦阻尼器的滞回性能试验研究

将大尺寸SMA弹簧与摩擦耗能装置进行组合,形成一种新型SMA弹簧-摩擦阻尼器(SMA spring-friction damper,SFD)。该阻尼器通过滑动摩擦和SMA超弹性协同耗能,满足工程结构对减震装置大位移和大输出力的要求。分别采用簧杆直径为12,16mm的SMA螺旋弹簧,设计2种SFD试件,对其进行往复荷载作用下的滞回性能试验研究。研究SFD在不同加载速率、位移幅值及摩擦板法向力影响下的滞回性能变化规律。研究结果表明,SFD具有良好的耗能能力。

双向耗能钢板-形状记忆合金丝阻尼器性能有限元分析

提出了一种双向耗能钢板-形状记忆合金(SSMA)丝阻尼器,用于解决传统钢板阻尼器塑性变形不可恢复的问题。该阻尼器是一种结合了耗能钢板和超弹性SMA丝的复合阻尼器,结合了两种耗能机制,具有双向耗能能力和可恢复性,其性能优于传统单一类型的钢板阻尼器和SMA丝阻尼器。编写了Ni-Ti超弹性SMA丝的本构关系子程序并将该子程序与ABAQUS软件进行对接;利用ABAQUS有限元软件对未附加SMA丝的钢板阻尼器和SMA丝组分别进行模拟,SMA本构模型为双旗型本构模型;然后,对复合阻尼器SSMA进行模拟分析,深入研究SSMA的力学性能并给出其恢复力模型与设计建议。有限元分析结果表明,复合阻尼器SSMA具有饱满的滞回曲线、良好的耗能能力和良好的可恢复性。

带有复合摩擦阻尼系统的基础隔震结构分析

针对常规摩擦阻尼器的起滑力难以确定的问题,提出了复合摩擦阻尼系统(CFDS),它由非线性硬弹簧和摩擦阻尼器串联而成。当地震较小时,摩擦阻尼器处于附着状态,非线性硬弹簧发挥作用,防止隔震层位移过大;当地震较大时,非线性硬弹簧的变形则保持不变,摩擦阻尼器处于滑动状态,通过摩擦阻尼耗散能量。建立了带有复合摩擦阻尼系统的基础隔震结构的运动方程,指出摩擦阻尼器处于附着和滑移2种状态下边界条件。据此研究了常规强震和近断层脉冲型地震动作用下复合摩擦阻尼装置对橡胶隔震结构的减震效果。仿真分析表明:安装复合摩擦阻尼系统,在显著降低隔震层位移的同时,对上部结构的层间位移和加速度均有一定的减震效果;并且,在整个运动过程中,摩擦阻尼器会在附着和滑移2种状态之间来回切换。详细研究了复合摩擦阻尼系统的3个参数对隔震结构的减震效果。结果表明:在不同地震波作用下,由于摩擦阻尼系统参数的变化导致隔震结构地震响应的变化趋势是不同的,因此最优参数的取值与输入地震波类型和地面加速度峰值有关,并且不存在使隔震层位移和上部结构加速度同时达到最小的最优参数,因此需要设定合适的控制目标以确定适当的阻尼系统参数。

新型钢筋混凝土摩擦阻尼器的研究

提出了一种新型钢筋混凝土摩擦阻尼器的构造和工作原理。在实验室建立了一个两层复合隔震的钢框架模型,该模型采用了新型钢筋混凝土摩擦阻尼器和隔震墩并联作为隔震层。通过对多种工况下的钢框架模型进行振动台激振试验,分析对比试验数据,研究该新型钢筋混凝土摩擦阻尼器-隔震墩并联复合隔震层在不同预紧力和不同加速度幅值输入时的动力特性及减震效果。本试验结果表明,新型钢筋混凝土摩擦阻尼器具有优秀的耗能减震性能。新型钢筋混凝土摩擦阻尼器-隔震墩并联复合隔震技术是一种减震效果明显,廉价实用,极具前景的新型隔震技术。

SMA绞线预制梁-柱自复位耗能节点数值研究与参数优化

为了提高预制混凝土框架的抗震能力并控制震后残余变形,提出了一种新型的混合自复位预制混凝土梁柱节点(self-centring precast concrete beam-column connection,SC-PCBCC),其中采用了旋转摩擦阻尼器(rotational friction hinge damper,RFHD)和形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)并联的结构。重点探讨了使用SMA绞线控制的自复位装置对SC-PCBCC进行改进。首先,介绍了SC-PCBCC的结构和工作原理;其次验证对比了1.0%、1.5%、2%和2.0%预应变下的超弹性1×7 SMA绞线、RFHD和SC-PCBCC的有限元模型,并进行了初步验证。研究结果表明,该节点具有较高的刚度、承载力、耗能能力以及较好的复位性能;最后对SC-PCBCC中SMA绞线的关键参数:SMA绞线预应变、直径和长度进行了参数分析,以优化其抗震性能。建议SC-PCBCC使用的SMA绞线初始预应变、直径和长度范围分别为1.5%~2.0%、15~18 mm和175~205 mm,以实现SC-PCBCC的优异承载性能、能量耗散和自复位性能。此外,节点中的SMA绞线和RFHD可在震后快速更换,实现高效灾后修复。总体而言,所提出的SC-PCBCC表现出了卓越的减震能力、自复位能力和可修复性。

形状记忆合金-摩擦复合阻尼器力学性能研究

提出一种新型形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)-摩擦复合阻尼器。该阻尼器由超弹性SMA单元和高耗能摩擦单元串联而成,通过控制摩擦单元的摩擦力大于SMA单元的最大输出力,可实现自动调节耗能单元工作状态的功能,即:较小荷载作用下,仅SMA单元工作,消耗能量少,具有自复位功能;较大荷载作用下,SMA单元和摩擦单元依次工作,消耗大量能量,具有一定的变形回复能力。对阻尼器进行拉压循环力学试验,研究了位移幅值、加载频率和扭矩对其输出力-位移曲线以及摩擦力、割线刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比、残余位移等力学参数的影响。将基于Graesser本构模型基础上的SMA单元力学模型和摩擦单元的理想刚塑性模型串联,建立了阻尼器的力学模型;数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了该力学模型的正确性。

PFD-SMA支撑体系的抗震性能

对传统的Pall摩擦阻尼支撑体系进行改进,提出一种PFD-SMA支撑体系,充分利用Pall摩擦阻尼器(PFD)和形状记忆合金(SMA)的优点,使该体系具有强耗能能力和自复位功能;考虑几何非线性采用ANSYS程序对SMA棒材和PFD-SMA体系进行分析。研究结果表明:SMA棒材具有较强的耗能能力,且可恢复应变大;在钢框架结构中采用PFD-SMA体系能有效降低结构的地震响应,提高结构的抗震性能,同时,该体系可通过形状记忆超弹性及形状记忆效应具有双重自复位功能,表明PFD-SMA体系具有良好的抗震性能。

基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

为提高建筑结构抗震韧性,实现震时响应可控,震后易修复的性能目标,提出一种基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器,给出一种基本构造方案,分析阻尼器不同阶段的工作原理,理论推导滞回曲线及各阶段刚度、承载力计算公式。通过多次往复加载试验,对碟簧和摩擦片的基本性能,以及多次地震作用下阻尼器的滞回性能和低周疲劳性能进行了考察。试验结果表明,高强钢碟簧性能稳定,复合摩擦材料耗能能力优异;基于两者组合的自复位消能减震阻尼器具有良好的可调节刚度、承载力以及优异的自复位性能;阻尼器滞回耗能稳定,可实现震后功能恢复,低周疲劳性能好。提出的阻尼器工作过程中各阶段刚度及承载力计算公式与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。

新型形状记忆合金—摩擦复合阻尼器及其减震性能分析

在“多种耗能机制共同耗能”理论的基础上,使用形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)材料对摩擦阻尼器进行改良设计,研发出一种新型SMA—摩擦复合阻尼器(SMA-Friction Compound Damper,SFCD)。阐述了SFCD的构造及工作原理,制作了试验试件,通过单轴拉压循环试验研究了其在循环荷载作用下不同位移幅值、加载速率下阻尼器的力学性能,对未安装和安装有SFCD的八层钢框架结构进行了时程分析。研究发现:1)SFCD在单轴拉压循环荷载作用下有很强的位移相关性,单位循环耗能可由位移幅值为3 mm时的41159.0 N·mm增大至12 mm时的217241.2 N·mm;2)SFCD能够将SMA的高耗能特性与传统摩擦耗能形式相结合,在不同加载速率下,阻尼器的耗能变化幅度仅为4.0%,受加载速率干扰较小,具有稳定的滞回性能和良好的耗能性能;3)SFCD对结构整体位移及残余位移起到的控制要好于速度及加速度,在所选地震波下对钢框架结构首层、顶层的位移控制均达到55%以上,减震率最大值达到70.26%。总体而言,大震作用下,SFCD的应用可实现显著的减震效果。

巨-子结构智能隔震体系抗震性能研究

针对巨-子结构隔震体系,在隔震层处或子结构顶部与主结构连接处,施加SMA-压电智能复合阻尼器,从而形成巨-子结构智能隔震体系。本文通过限界Hrovat最优控制算法设计了巨-子结构智能隔震体系的半主动控制器,在此基础上,对巨-子结构智能隔震体系进行了Simulink控制效果仿真分析,同时比较了控制装置安装位置的不同对结构控制效果的影响,并与普通隔震结构的减震效果进行了对比。研究结果表明,智能隔震控制1(隔震层加控制装置)和智能隔震控制2(子结构顶部加控制装置)2种控制方案在控制结构的位移方面效果相差不大。总体而言,智能隔震控制2对于控制子结构单元顶部的绝对加速度效果更为显著,但是相对于普通隔震而言,特别是在控制隔震层位移方面2种方案都具有较好的控制效果。实施智能控制可以有效改善巨-子结构被动控制体系的抗震性能,并能降低隔震结构在遭受强震时由于隔震层出现过大位移导致结构倾覆的危险。