新型金屬阻尼器減震結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)及理論研究.pdf

1、消能減震作為迅速發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位設(shè)置消能器以增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的反應(yīng)。我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)將隔震和消能減震設(shè)計(jì)作為重要內(nèi)容專門設(shè)置一個(gè)章節(jié)，這預(yù)示著消能減震設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的時(shí)代即將到來(lái)。本文基于已有消能減震結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)上，在以下方面進(jìn)行了研究： (1)提出一種設(shè)計(jì)金屬阻尼器的新思路：利用鋼板平面內(nèi)受力提高初始剛度，并通過(guò)改變鋼板平面幾何形狀增

2、加變形耗能能力。對(duì)具有不同幾何形狀的鋼阻尼器模型進(jìn)行擬靜力往復(fù)加載的模型及原型試驗(yàn)研究，給出了兩種初始剛度大，耗能能力好的鋼阻尼器，同時(shí)驗(yàn)證了采用此方法設(shè)計(jì)鋼阻尼器是可行的。數(shù)值模擬結(jié)果表明，此類鋼阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)位移控制效果明顯。 (2)對(duì)裝有新型鋼阻尼器的二層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)能量分析的方法檢驗(yàn)地震過(guò)程中新型鋼阻尼器的耗能能力；并采用有限元方法進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的數(shù)值仿真。試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果均表明，兩種新型

3、鋼阻尼器具有在小震下為結(jié)構(gòu)提供初始剛度，大震下消耗地震能的雙重功能(也稱“雙功能”鋼阻尼器)。 (3)對(duì)位移型消能減震結(jié)構(gòu)阻尼器的布置位置及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化研究，提出了一種基于遺傳算法的新型優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，模型目標(biāo)函數(shù)體現(xiàn)了明確的設(shè)計(jì)意義，在保證幾種地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角接近設(shè)計(jì)值的前提下，盡可能使得應(yīng)用的耗能體系剛度最小。同時(shí)解決了不同地震波作用下優(yōu)化結(jié)果各不相同，優(yōu)化參數(shù)難以選擇的問(wèn)題，是一種有效的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

4、 (4)對(duì)于消能減震結(jié)構(gòu)，提出一種基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)以結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)為主，消能器為強(qiáng)度補(bǔ)充的設(shè)計(jì)思想減少以往基于位移設(shè)計(jì)方法中大量的迭代過(guò)程。在現(xiàn)階段我國(guó)沒有合適的位移設(shè)計(jì)反應(yīng)譜情況下，建議短周期建筑采用規(guī)范中加速度轉(zhuǎn)化為位移的方法來(lái)建立位移反應(yīng)譜，中、長(zhǎng)周期采用地震記錄積分的方法獲得位移反應(yīng)譜。數(shù)值算例分別采用具體地震記錄建立的位移反應(yīng)譜及加速度轉(zhuǎn)化的位移反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)加速度時(shí)程分析分別驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與

5、實(shí)用性。 (5)對(duì)于消能減震偏心結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法進(jìn)行了研究，建立了消能減震偏心結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和動(dòng)力方程。采用該方法對(duì)一裝有新型鋼阻尼器的五層偏心結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向地震動(dòng)作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析。結(jié)果表明，新型鋼阻尼器不但減小了結(jié)構(gòu)的水平位移反應(yīng)，同時(shí)對(duì)于多維地震作用下的扭轉(zhuǎn)變形也有較為明顯的減震效果。 (6)提出了一種計(jì)算位移型消能減震偏心結(jié)構(gòu)能力譜的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，通過(guò)結(jié)構(gòu)變形分解，將偏心結(jié)構(gòu)的能力譜曲線分解為平面Pushover

6、能力譜及非偏心結(jié)構(gòu)的純扭轉(zhuǎn)能力譜，并采用位移合成的方法得到最終的能力譜曲線。數(shù)值算例與有限元軟件Sap2000分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，該方法與有限元軟件計(jì)算結(jié)果接近，是一種有效的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。 (7) 針對(duì)安裝消能減震裝置引起的不利因素進(jìn)行了探討與分析，通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)中安裝消能減震裝置前后地震水平力作用的推覆分析，揭示了由于消能支撐的安裝使框架柱軸力明顯增加這一現(xiàn)象；這種軸力的增加，可能會(huì)超過(guò)柱軸力設(shè)計(jì)允許值。同時(shí)提出了耗能

7、支撐帶給框架柱附加軸力的計(jì)算方法及驗(yàn)算過(guò)程，改進(jìn)了耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，使得消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)一步完善。數(shù)值算例揭示了消能支撐的安裝對(duì)框架柱軸力的影響，軸壓比過(guò)大引起框架柱延性降低，柱端過(guò)早出現(xiàn)塑性較，設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視。 (8)將本論文中提出的新型鋼阻尼器應(yīng)用到實(shí)際工程之中，同時(shí)給出了設(shè)計(jì)、制作和安裝的完整流程。新型鋼阻尼器的安裝成功的解決了由于首層層高過(guò)高引起的薄弱層問(wèn)題，數(shù)值分析表明，新型鋼阻尼器對(duì)于該建筑在地震