曲面鋼板阻尼器及其結(jié)構(gòu)的理論與試驗研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)作為一種被動控制技術(shù)，以其有效、安全、經(jīng)濟的特點廣泛應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)、抗震加固及震后修復(fù)結(jié)構(gòu)中。在經(jīng)歷較大地震作用時，安裝在結(jié)構(gòu)中的消能元件率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而減小主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的損傷破壞。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的曲面鋼板阻尼器，該阻尼器具有構(gòu)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(xué)性能、安裝該阻尼器的混凝土剪力墻和鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能

2、及消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法進行了深入系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)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(dǎo)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(yīng)力

3、分析，得到了曲面鋼板阻尼器的應(yīng)力分布情況，其中圓弧末端區(qū)域應(yīng)力較大，圓弧頂端區(qū)域應(yīng)力較小。
　　(2)開展了曲面鋼板阻尼器試件的力學(xué)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(jié)果能夠較好的吻合，且與理論分析得到的力學(xué)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(xué)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(fù)荷載試驗研究。提出將混凝土墻體開設(shè)縫槽、在縫槽中設(shè)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(yīng)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(jié)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(guān)系，設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)為工況1，鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)為工況2，工況1的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果吻合度較好。
　　(5)提出了一種用于減震結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的自適應(yīng)加速遺傳算法。通過經(jīng)典數(shù)學(xué)模型的測試，表明所提出的自適應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)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(dǎo)了采用金屬阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)等效阻尼比公式。以八層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，進行了基于位移的全過程設(shè)計，并對結(jié)構(gòu)進行了動力時程分析的驗證，結(jié)果證明基于位移設(shè)計的消能減震結(jié)構(gòu)是安全的