曲面鋼板阻尼器及其結構的理論與試驗研究.pdf

1、結構的消能減震技術作為一種被動控制技術，以其有效、安全、經(jīng)濟的特點廣泛應用于新建結構、抗震加固及震后修復結構中。在經(jīng)歷較大地震作用時，安裝在結構中的消能元件率先進入非彈性狀態(tài)，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，從而減小主體結構及構件的損傷破壞。本文在已有研究的基礎上，提出了一種新型的曲面鋼板阻尼器，該阻尼器具有構造簡單、受力性能明確、穩(wěn)定性良好的特點。圍繞曲面鋼板阻尼器的力學性能、安裝該阻尼器的混凝土剪力墻和鋼框架結構的抗震性能

2、及消能減震結構的抗震設計方法進行了深入系統(tǒng)的研究，主要研究內容和所取得的主要成果如下:
　　(1)研發(fā)了一種新型的曲面鋼板阻尼器。根據(jù)理論知識，推導了該阻尼器的彈性剛度、屈服強度和屈服位移的計算公式。利用數(shù)值模擬建立曲面鋼板阻尼器模型，對阻尼器各參數(shù)對其性能的影響規(guī)律進行了分析，鋼板厚度和圓弧半徑對阻尼器的彈性剛度、屈服荷載和屈服位移均有影響，而鋼板寬度對阻尼器的彈性剛度和屈服荷載有影響，對屈服位移無影響。對曲面鋼板阻尼器進行應力

3、分析，得到了曲面鋼板阻尼器的應力分布情況，其中圓弧末端區(qū)域應力較大，圓弧頂端區(qū)域應力較小。
　　(2)開展了曲面鋼板阻尼器試件的力學性能試驗研究。經(jīng)過對四組曲面鋼板阻尼器試件進行標準加載和疲勞加載后，得到的滯回曲線飽滿，無捏縮現(xiàn)象，阻尼器鋼板無明顯裂縫。在試驗過程中，阻尼器的性能指標未出現(xiàn)明顯下降，經(jīng)計算阻尼器的延性系數(shù)和耗能系數(shù)均較大，說明曲面鋼板阻尼器具有穩(wěn)定的滯回性能、良好的耗能能力和很好的塑性變形能力。數(shù)值分析的滯回曲線與

4、試驗結果能夠較好的吻合，且與理論分析得到的力學性能參數(shù)相一致，根據(jù)試驗值、數(shù)值模擬值和理論計算值，確定曲面鋼板阻尼器計算公式中的系數(shù)，最終得到阻尼器力學性能的完整計算公式。
　　(3)開展了帶有曲面鋼板阻尼器的混凝土剪力墻的低周反復荷載試驗研究。提出將混凝土墻體開設縫槽、在縫槽中設置曲面鋼板阻尼器的新型剪力墻形式，以增加剪力墻的延性及耗能能力。制作了新型減震剪力墻試件DSW和普通混凝土剪力墻試件SW，施加相同的豎向壓力，進行水平力

5、和位移加載。試件DSW的裂縫主要集中在墻肢的上、下端部，試件SW的裂縫由墻體底部向上發(fā)展，屬于剪切斜向裂縫。試件DSW的滯回曲線更飽滿，延性系數(shù)和耗能系數(shù)更大。通過應力分析可知，試件DSW的阻尼器逐步進入屈服，說明阻尼器參與耗散部分能量。利用數(shù)值分析與試驗結果進行對比，骨架曲線和受力特點均與試驗情況一致。因此，帶有曲面鋼板阻尼器的混凝土剪力墻具有更好的變形能力、更穩(wěn)定的耗能性能。
　　(4)開展了安裝曲面鋼板阻尼器的鋼框架模型的振

6、動臺試驗研究。確定了鋼框架模型主要參數(shù)的相似比例關系，設計了1∶3的縮尺模型，分別輸入El-Centro波、Taft波和Washington波，進行了8度(0.3g)多遇地震、設防地震、罕遇地震及9度罕遇地震的振動臺試驗。帶有阻尼器的鋼框架結構設為工況1，鋼框架結構設為工況2，工況1的結構頻率明顯大于工況2，隨著地震波輸入加速度峰值的增大，結構頻率有減小的趨勢，說明阻尼器在此過程中屈服后剛度發(fā)生變化。阻尼器對加速度、位移均有明顯的控制作

7、用。隨地震加速度峰值增大，阻尼器的滯回面積逐步變大，參與耗散更多的地震能量，且底層的阻尼器比上層阻尼器先進入屈服。利用SAP2000軟件對工況1和工況2進行模擬，與實測結果吻合度較好。
　　(5)提出了一種用于減震結構設計計算的自適應加速遺傳算法。通過經(jīng)典數(shù)學模型的測試，表明所提出的自適應加速遺傳算法具有收斂效果好、誤差小和收斂速度快的特點。利用此方法對金屬阻尼器的位置進行優(yōu)化，采用位移、加速度雙指標的目標函數(shù)，能夠較好的得出阻尼

8、器相應的最優(yōu)布置，從而達到充分發(fā)揮阻尼器的減震效用的目的。對消能減震結構中的屈服位移比和剛度比進行參數(shù)分析，確定了其最優(yōu)取值范圍。
　　(6)研究了消能減震結構基于位移的抗震設計方法。分析并確定了“使用良好”、“生命安全”和“防止倒塌”三個性能水準，推導了采用金屬阻尼器的消能減震結構等效阻尼比公式。以八層鋼筋混凝土框架結構為例，進行了基于位移的全過程設計，并對結構進行了動力時程分析的驗證，結果證明基于位移設計的消能減震結構是安全的