装配式预压碟簧自复位耗能支撑性能分析与试验研究

摘要

支撑是多/高层建筑中常用的抗侧力构件之一。在地震作用下它还能耗散能量，避免主体结构发生严重破坏。自复位耗能支撑不仅能耗散地震能量，减少结构的整体反应，而且震后能近似恢复到平衡位置，减少结构的残余变形，从而降低构件的修复或更换成本，提高结构的可恢复性。然而，当前的自复位耗能支撑在构造上还存在组装、拆卸困难，预拉、压力不便调节的问题;在数值模拟上，还存在着精细化模型与简化模型的适用性不清和参数标定等困难。这些问题阻碍了自复位耗能支撑在建设韧性城乡进程中的应用。
　　本文主要提出了一种装配式预压碟簧自复位摩擦耗能支撑，分析了其受力性能，并分别通过拟静力试验和数值模拟验证了支撑的自复位及耗能特性。主要研究内容及结论如下:
　　(1)针对目前自复位耗能支撑组装拆卸困难、预应力不便调节以及复位元件的优选及配置的问题，设计了一种装配式自复位摩擦耗能支撑。该支撑采用碟簧作为复位原件，预压力通过顶紧螺栓施加以便调节，主要元件采用螺栓装配以便安拆。从工作机理上分析了该装配式预压碟簧自复位摩擦耗能支撑的力学性能，并推导了四个阶段的刚度公式。将自复位耗能支撑的“旗形”恢复力模型分解为双线性弹性模型与摩擦耗能模型，建立了有无残余变形两种情况下的装配式预压碟簧自复位耗能支撑恢复力与变形的计算公式。
　　(2)为了验证该新型自复位耗能支撑的设计方案和力学性能，加工了装配式预压碟簧自复位摩擦耗能支撑并开展了构件的拟静力试验。首先介绍了支撑的加工和组装过程，然后设计了碟簧试验装置和摩擦试验装置，并分别开展了往复加载试验，测试了组合碟簧和摩擦装置的滞回特性。最后，在不同预压力下对装配式预压碟簧自复位摩擦耗能支撑开展了九组拟静力试验，得到稳定的旗形滞回曲线，验证了设计方案。研究表明:初始摩擦力越大，滞回曲线越饱满，支撑耗能越多。当初始摩擦力超过预压力时，支撑出现残余变形。支撑的预压力可通过两侧螺栓进行调节，随着预压力的增大，支撑承载力显著增大，而耗能变化不明显，说明支撑的耗能能力仅与摩擦力大小有关，与预压力无关。
　　(3)针对目前自复位耗能支撑数值模拟上精细化模型与简化模型的适用性不清晰以及参数标定困难的问题，基于通用有限元和专业有限元开展了装配式预压碟簧自复位摩擦耗能支撑的数值模拟研究。在通用有限元软件ABAQUS中基于自复位耗能支撑工作原理建立支撑构件的精细化模型，通过数值模拟与试验结果的对比，从数值角度验证了支撑设计方案和力学性能。在专业有限元软件OpenSees中基于现象型多段线旗形恢复力模型建立支撑的简化模型，并利用试验数据对相关参数进行标定，为自复位耗能支撑结构体系的模拟奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2耗能减震技术研究现状

1．2．1摩擦耗能减震装置

1．2．2金属阻尼器

1．2．3粘滞性阻尼器

1．2．4粘弹性阻尼器

1．3自复位结构的研究现状

1．4自复位耗能支撑研究现状

1．5本文主要研究内容

第二章装配式预压碟簧自复位耗能支撑的研发及力学性能分析

2．1引言

2．2 FPS-SCED支撑的研发及构造

2．3 FPS-SCED支撑的力学性能分析

2．4 FPS-SCED支撑恢复力模型

2．4．1碟形弹簧

2．4．2支撑恢复力模型

2．5本章小结

第三章装配式预压碟簧自复位耗能支撑构件拟静力试验研究

3．1引言

3．2试件加工及试验内容

3．2．1试件加工

3．2．2试验内容

3．3碟簧材性试验与摩擦测算试验

3．3．1碟簧材性试验

3．3．2摩擦测算试验

3．4 FPS-SCED支撑拟静力试验

3．4．1加载装置与加载方法

3．4．2支撑试验初始工况

3．4．3试验结果

3．5 本章小结

第四章装配式预压碟簧自复位耗能支撑数值模拟分析

4．1引言

4．2．1 ABAQUS精细化模型建立

4．2．2工况设置

4．2．3结果分析

4．3 FPS-SCED支撑OpenSees数值模拟分析

4．3．1简化模型建立

4．3．2工况设置

4．3．3简化模型与试验结果对比分析

4．4本章小结

第五章结论与展望

5．1本文结论

5．2展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表的文章

攻读硕士期间参与的项目科研项目