新型自复位变摩擦耗能支撑的试验研究及抗震性能参数分析

摘要

自复位耗能支撑作为一种新型有效的减震技术手段，具有良好的耗能效果和结构残余位移控制等优点。本文在前人的研究基础上，提出了一种新型自复位变摩擦耗能支撑，该支撑兼具自复位和耗散能量作用的同时，可以根据受到荷载的大小实时地改变自身摩擦力大小。又因为该支撑的特殊构造，不同设计参数下支撑具有不同的力学滞回性能，这也保证了支撑能适用于多种工况。本文针对该支撑的主要研究内容及结论如下： （1）自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型在有限元软件中的二次开发。对该支撑的构造形式和工作原理做了详细阐述，并介绍了支撑理论力学模型，借助有限元软件OpenSees的开源平台编写相关代码，完成了在单轴材料库中对自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型的添加；对材料杆件单元力学行为进行有限元模拟，结果表明模拟值、理论值和试验值高度吻合，验证了二次开发的材料模型可以用于对支撑的理论分析。 （2）基于开发模型的支撑参数性能分析。支撑弹性体弹性系数、摩擦钢板长度、摩擦接触点挠度和摩擦系数等都是影响支撑滞回性能的主要因素。其中，弹性体弹性系数的增大会导致支撑变摩擦特性减弱，而支撑耗散的能量基本保持不变，支撑能够承受的荷载增大；随着摩擦系数的增大，支撑耗能、割线刚度和等效阻尼比都呈现大幅度增加的趋势；摩擦钢板长度减小，支撑表现出更好的变摩擦效果，摩擦接触挠度越大，支撑能够承受的荷载越大。 （3）支撑力学试验及相关参数性能研究。设计加工出支撑实体构件，其中弹性体选用高强拉簧。试验结果表明支撑滞回曲线都为“旗帜型”，随着位移的增大，支撑变摩擦效果增强，支撑滞回曲线逐渐呈现“喇叭状”；选用弹性系数较大的高强拉簧时，支撑能够承受的荷载增加而支撑耗散的能量基本不变；增大摩擦接触点挠度和摩擦系数，滞回曲线更加饱满；从各试验工况和支撑疲劳试验结果来看，该支撑具有良好的自复位功能和抗疲劳能力。 （4）自复位变摩擦耗能支撑钢框架的抗震性能参数分析。自复位变摩擦耗能支撑钢框架的抗震性能优于传统自复位耗能支撑钢框架和传统钢框架，能实现结构的“可恢复功能”等目标。罕遇地震作用下，各层支撑耗能充分且展现出了一定的变摩擦效果。对比支撑在结构中的不同布置位置，结果显示当支撑布置在结构的②③轴即中间榀时，结构具有良好且稳定的抗震性能。适当增大支撑的第一刚度和预拉力有利于结构抗震性能的提升。当摩擦钢板长度取200mm~300mm时，支撑的经济性和适用性效果俱佳且最有利于发挥支撑的减震作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 阻尼器的研究现状

1.2.2 自复位支撑的研究现状

1.3一种新型自复位变摩擦耗能支撑的提出

1.3.1 新型自复位变摩擦耗能支撑的构造

1.3.2 新型自复位变摩擦耗能支撑的工作原理

1.4本文主要研究内容

第2章自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型的二次开发

2.1引言

2.2自复位变摩擦耗能支撑的变摩擦理论力学模型

2.3自复位变摩擦耗能支撑的理论滞回曲线

2.3.1 第一阶段

2.3.2 第二阶段

2.3.3 第三阶段

2.3.4 第四阶段

2.3.5 支撑受压

2.4基于OpenSees的自复位变摩擦耗能支撑本构模型二次开发

2.4.1 OpenSees平台介绍

2.4.2 本构模型开发思路

2.4.3 本构模型程序实现

2.5二次开发本构模型的验证

2.6本章小结

第3章基于开发模型的自复位变摩擦耗能支撑性能参数分析

3.1引言

3.2弹性体弹性系数对支撑力学性能的影响

3.2.1 摩擦钢板长度为400mm

3.2.2 摩擦钢板长度为300mm

3.2.3 摩擦钢板长度为200mm

3.3摩擦系数对支撑力学性能的影响

3.4本章小结

第4章自复位变摩擦耗能支撑的力学性能试验

4.1引言

4.2试验方案

4.2.1 试验概况

4.2.2 试验材料

4.2.3 构件信息

4.2.4 加载装置

4.2.5 加载制度

4.3试验步骤与现象

4.3.1 弹性体相关性试验

4.3.2 位移幅值相关性试验

4.3.3 摩擦接触点挠度相关性试验

4.3.4 摩擦系数相关性试验

4.3.5 疲劳试验

4.4试验结果分析

4.4.1 不同弹性体下的有限元和试验结果对比

4.4.2 不同位移幅值和摩擦接触点挠度下的有限元和试验结果对比

4.4.3 不同摩擦系数下的有限元和试验结果对比

4.5本章小结

第5章自复位变摩擦耗能支撑钢框架抗震性能及参数分析

5.1引言

5.2工程模型

5.3有限元模型

5.3.1 梁柱单元模型

5.3.2 楼板及支撑模型

5.3.3 材料模型

5.3.4 地震动选取

5.4多遇地震下的结构响应

5.5罕遇地震下的结构响应

5.6支撑安装位置对结构抗震性能的影响

5.7支撑设计参数对结构抗震性能的影响

5.7.1 第一刚度对带支撑结构地震响应的影响

5.7.2 摩擦钢板长度对带支撑结构地震响应的影响

5.7.3 预拉力对带支撑结构地震响应的影响

5.8本章小结

总结和展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型代码

1. SCVF.cpp

2. SCVF.h