新型防屈曲剪切钢板阻尼器性能研究

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软钢阻尼器属于一种结构被动控制的消能减震装置,具有“耗能原理明确、构造形式简单、工作性能长期稳定、耗能能力优良”的特点,因此逐步得到国内外学者的广泛关注。剪切钢板阻尼器是利用钢板剪切屈服后滞回耗能,消耗地震输入的能量,避免结构或构件的破坏从而保护主体结构。本文剪切钢板阻尼器的核心耗能部件采用低屈服点钢制作,具有更好的力学性能和耗能能力。  钢板发生面内剪切变形后形成斜向压应力,当压应力达到一定程度时就会发生面外屈曲变形,导致承载力下降,滞回曲线呈现捏拢的S形。目前剪切钢板阻尼器的防屈曲措施主要有两种:焊接加劲肋和板上开竖缝。这两种措施都存在缺点与不足,现针对这些缺点与不足提出一种新型的防屈曲措施:物理接触加劲方案,加劲装置只与受剪钢板发生物理接触,不采用焊接措施,不削弱受剪钢板截面,同时有效抑制钢板的面外屈曲,改善力学性能。根据这一思路,本文提出三种防屈曲方案:边框防屈曲方案、夹板防屈曲方案、肋板防屈曲方案。  首先通过数值分析研究受剪钢板的力学性能,按照高宽比将钢板分类为剪切型、弯剪型、弯曲型;按照面外变形和厚度的变化规律将钢板分类为薄板、中厚板、厚板。分别研究了高宽比、高厚比、宽厚比、尺寸大小等参数对受剪钢板屈曲形态、承载能力、面外变形、滞回性能等力学性能的影响。根据受剪钢板的屈曲形态合理设计三种防屈曲方案的具体尺寸参数。  对新型防屈曲剪切钢板阻尼器进行力学性能研究。选取Bouc-Wen模型作为软钢阻尼器恢复力模型。根据Mises屈服准则推导受剪钢板的屈服条件。基于拉力场理论推导软钢阻尼器抗剪承载力的表达公式。通过分析得到弯剪型软钢阻尼器、剪切型软钢阻尼器核心性能参数(初始弹性刚度、屈服力、屈服位移)的理论值。  建立受剪钢板肋板防屈曲方案、夹板防屈曲方案、边框防屈曲方案的有限元分析模型。通过特征值分析得到弯剪型软钢阻尼器、剪切型软钢阻尼器的屈曲特征值。通过单调位移加载得到弯剪型软钢阻尼器、剪切型软钢阻尼器核心性能参数的有限元值。采用肋板防屈曲方案、夹板防屈曲方案能够有效抑制钢板面外变形的发展,改善钢板的应力分布,提高受剪钢板的承载力。采用边框防屈曲方案后,受剪钢板拉力带充分发展,承载力得到大幅提高,刚度也有所增长,耗能能力得到显著改善。  通过新型防屈曲剪切钢板阻尼器的低周反复荷载试验,研究了该类阻尼器的耗能能力和低周疲劳性能,验证本文提出的三种防屈曲方案的可行性。结果表明:新型防屈曲剪切钢板阻尼器的力学模型可简化为双线性模型。该类阻尼器核心性能参数的理论值、有限元值、试验值基本吻合,说明本文理论推导的公式具有较高的可信度。在低周反复荷载作用下,该类阻尼器具有良好的耗能能力和低周疲劳性能。  对米用新型防屈曲剪切钢板阻尼器的减震结构进行设计与分析,提出采用该类阻尼器的减震结构在多遇地震和罕遇地震作用下的设计流程。结合具体框架减震结构算例,利用结构计算软件进行弹性时程分析和弹塑性时程分析,结果表明:新型防屈曲剪切钢板阻尼器的设置能够显著减小结构的层间位移,改善结构的扭转效应,有效消耗地震输入的能量,是提高建筑物抗震能力的一种可靠方式。
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