两阶段工作软钢消能器力学性能理论及试验研究

摘要

软钢消能器作为被动减震领域的一种耗能装置，因其滞回性能良好、安装更换方便等优点，被广泛地应用到建筑结构减震设计中。近年来，国内外学者研究开发了形式多样的软钢消能器，但是他们大多耗能形式单一，无法同时兼顾小震和大震作用。本文基于已有的研究成果，将面外弯曲屈服和面内剪切屈服两种不同的耗能机理有机的结合起来，提出一种弯剪组合型软钢消能器，以实现消能器的两阶段屈服耗能目标。面外弯曲型软钢消能器相对于面内剪切型具有更大的屈服位移，基于这一理论基础，通过合理设计弯曲板和剪切板的尺寸和用钢材料，可以实现耗能装置的两阶段工作目标，本文首先对组成耗能装置的剪切板和弯曲板分别开展了力学性能理论研究，推导了剪切板与弯曲板核心性能参数的理论计算公式。
　　基于单板模型的理论分析，通过有限元分析软件试算确定弯曲板和剪切板的合理尺寸，并对设计的弯剪组合型软钢消能器建立准确的边界条件，进行单调加载和往复加载数值模拟分析，研究其应力发展状态，得出弯剪组合型软钢消能器的第一屈服位移、第二屈服位移、滞回曲线、骨架曲线等参数，以便设计试验构件并与试验结果进行对比。
　　针对所设计的耗能装置开展试验研究，首先对Q235钢材和低屈服点钢材进行了材料性能试验，得到了两种钢材弹性模量、屈服强度、极限强度、伸长率的等核心参数，确定材料的本构关系。其次，对4个不同参数的弯剪组合型软钢消能器进行了低周往复加载试验，并分析其荷载位移曲线及应变发展趋势，结果表明弯剪组合型软钢消能器的滞回曲线饱满，耗能能力稳定，与有限元计算结果对比发现，两者在滞回曲线、骨架曲线等方面吻合较好，证明采用有限元软件对弯剪组合型软钢消能器进行模拟分析结果可信，同时也证明了该型消能器核心性能参数理论公式的实际可行性。
　　利用有限元软件ANSYS对弯剪组合型软钢消能器进行参数化分析，分别建立了100个剪切板和80个弯曲板单板模型，考察剪切板和弯曲板厚度、宽度及高度对其性能的影响，并确定了各自屈服位移和屈服后刚度的经验公式，提出弯剪组合型软钢消能器的三折线恢复力模型，并给出了模型核心参数的计算公式。
　　根据弯剪组合型软钢消能器的两阶段工作机理，提出了其不同于传统软钢消能器的工程设计方法，并通过有限元软件SAP2000和MIDAS Gen对设置了弯剪组合型软钢消能器的减震结构进行多遇地震及罕遇地震作用下的动力时程分析。结果表明，弯剪组合型软钢消能器能够很好的实现两阶段耗能目标，有效消耗大震和小震输入结构的能量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 软钢材料的研究与发展

1．3 消能减震技术简介

1．4 消能器的分类与构造

1．5 软钢消能器的研究概况

1．5．1 国外软钢消能器的研究概况

1．5．2 国内软钢消能器的研究概况

1．5．3 软钢消能器的工程应用

1．5．4 软钢消能器目前存在的问题

1．6 本文的主要研究内容

第二章 弯剪组合型软钢消能器的理论分析

2．1 引言

2．2 弯剪组合型软钢消能器的构造形式及耗能机理

2．2．1 弯剪组合型软钢消能器的构造形式

2．2．2 弯剪组合型软钢消能器的工作原理

2．3 弯剪组合型软钢消能器的力学性能

2．3．1 弯曲型耗能钢板力学性能

2．3．2 剪切型耗能钢板力学性能

2．4 软钢消能器的恢复力模型

2．4．1 理想弹塑性模型

2．4．2 双线性模型

2．4．3 Ramberg-Osgood模型

2．4．4 Bouc-Wen模型

2．5 弯剪组合型软钢消能器的性能指标

2．6 本章小结

第三章 弯剪组合型软钢消能器有限元分析

3．1 引言

3．2 弯剪组合型软钢消能器试验构件设计

3．2．1 弯曲耗能板尺寸设计

3．2．2 剪切耗能板尺寸设计

3．3 有限元模型的建立

3．3．1 定义单元

3．3．2 定义材料

3．3．3 引入初始缺陷

3．3．4 边界条件和加载制度

3．4 有限元计算结果及分析

3．4．1 应力发展历程

3．4．2 屈服位移和屈服荷载

3．4．3 滞回曲线

3．4．4 骨架曲线

3．5 本章小结

第四章 弯剪组合型软钢消能器的试验研究

4．1 实验内容及目的

4．2 材性试验

4．3 加载速率对消能器性能影响研究

4．3．1 消能嚣试件参数

4．3．2 试验加载装置

4．3．3 加载制度

4．3．4 试验现象与结果分析

4．4 试验现象与结果分析

4．4 弯剪组合型软钢消能器的性能试验研究

4．4．1 弯剪组台型型软钢消能器试验试件

4．4．2 试验加载装置设计

4．4．3 试验测点布置

4．4．4 试验加载制度

4．4．5 试验现象及分析

4．4．6 试验结果对比分析

4．5 本章小结

第五章 弯剪组合型软钢消能器的参数化分析

5．1 引言

5．2 有限元模型建立及参数选取

5．3 单板模型参数化分析结果

5．3．1 弯曲耗能板的屈服位移及屈服后刚度

5．3．2 剪切耗能板的屈服位移及屈服后刚度

5．4 弯剪组合型软钢消能器恢复力模型的建立

5．5 本章小结

第六章 弯剪组合型软钢消能器的工程设计方法

6．1 引言

6．2 弯剪组合型软钢消能器结构减震设计方法

6．3 弯剪组合型软钢消能器框架结构减震算例

6．3．1 工程概况

6．3．2 弯剪组合型软钢消能器的设计

6．3．3 地震波的选取

6．3．4 多遇地震作用下减震结构时程分析

6．3．5 罕遇地震作用下减晨结构时程分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文