软钢支撑式阻尼器试验及耗能减振结构基于性能设计方法的研究

摘要

结构消能减振技术是一种结构控制技术，它是通过在结构的适当位置安装消能减振装置，利用这些装置的耗能来减小结构在强震和大风作用下的振动反应。软钢支撑式阻尼器就是一种性能优良的消能减振装置。本文针对软钢支撑式阻尼器消能减振技术的理论和试验进行了系统的研究，所取得的主要研究成果包括：
　　 1、在分析软钢阻尼器耗能机理的基础上，设计、研制出了一种性能良好、简便实用的新型软钢支撑式阻尼器。对所研制的软钢支撑式阻尼器进行了动态力学性能试验，研究了软钢支撑式阻尼器在低周反复荷载作用下的滞回特性和耗能性能。根据试验结果，建立了软钢支撑式阻尼器的恢复力模型。
　　 2、对研制的软钢支撑式阻尼器构造和选材进行进一步的有限元优化分析，通过将十字核心钢杆弧形耗能段构造化为平直耗能段和全长均匀多弧耗能段及材料采用低屈服点软钢，给出了可以满足不同结构多种位移和耗能需求的系列产品。对软钢支撑式阻尼器受压时容易产生的诸多失稳进行了理论分析。通过将十字核心钢杆加权化为等截面直杆和修正十字核心钢杆计算长度的方法，计算解决了软钢阻尼器的整体失稳问题，并通过构造措施解决了软钢阻尼器的其它失稳问题。
　　 3、综合试验和理论分析成果，通过对承载力、稳定性、累积滞回耗能性能三指标的分析，给出了软钢支撑式阻尼器的设计方法，并对软钢支撑式阻尼器的布置、连接和构造提出了设计要求和建议。针对目前国内外对阻尼器支撑刚度影响考虑不足的情况，研究了支撑刚度对结构控制效果的影响特点和对支撑刚度的要求。结果表明，要充分发挥阻尼器的耗能能力，阻尼器必须具有适当的支撑刚度，以确保阻尼器的减震控制效果。
　　 4、研究了基于性能的耗能减震结构抗震设计理论，提出了以位移和能量同时作为结构抗震性能指标，并建立了基于位移-能量双重性能指标的耗能减震结构抗震设计方法。针对目前静力弹塑性分析方法中性能点捕捉的不确定性及所能了解的性能参数信息的有限性，提出了多指标抗震能力谱方法。同时，本文又从实际应用出发，引入了主体结构耗能折减系数，提出了基于位移-能量双重性能指标的耗能减震结构的简化抗震设计方法。
　　 5、针对目前阻尼器在结构控制设计中的布置不确定性问题，提出了结构“投资-效益”最优的数学模型，采用遗传算法对耗能减震结构中阻尼器的位置和数量优化进行了研究。研究表明，阻尼器设置位置和数量有着非常明确的规律，选择合适的阻尼器设置位置和数量无论从经济还是安全的角度都是十分重要的。
　　 6、研究了软钢支撑式阻尼器耗能减震结构参数优化问题。分析了钢阻尼器的初始刚度和屈服位移与相应层主体结构的初始刚度和屈服位移的比值、耗能器的屈服剪力与相应层主体结构的屈服剪力的比值这些参数对结构控制减震效果的影响规律及其最优取值。研究了第二刚度系数对减震效果的影响，指出第二刚度系数不影响耗能减震效果的一致性。对耗能减震结构等效阻尼比进行了优化分析研究，研究表明，在结构控制中，等效阻尼比的选择是非常重要的，对于不同的控制目标和控制场合应该有不同的选择方式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2基于性能抗震理论的发展和现状

1.2.1结构抗震设计理论的发展

1.2.2基于性能抗震理论的发展和现状

1.3结构控制及耗能减震技术的发展和现状

1.3.1结构抗震另辟蹊径—结构振动控制

1.3.2结构控制的概念及机理

1.3.3结构控制技术的分类

1.3.4结构耗能减震技术和耗能阻尼器的分类

1.3.5钢耗能阻尼器的研制、试验和理论发展现状

1.4本文研究的目的和意义

1.5软钢支撑式阻尼器减震结构控制有待解决的问题

1.6本文的研究工作

第二章 新型软钢支撑式阻尼器的研制和试验研究

2.1软钢阻尼器的耗能机理

2.2新型软钢支撑式阻尼器的研制

2.2.1十字核心钢杆截面的设计

2.2.2外包钢套管截面的设计

2.2.3外包钢套管和内核钢构件间隙的设计

2.3软钢支撑式阻尼器的力学性能试验

2.3.1试件制作

2.3.2试验目的

2.3.3试验装置

2.3.4试验方法

2.3.5试验过程

2.3.6试验结果及分析

2.4小结

第三章 软钢支撑式阻尼器的力学性能分析

3.1软钢支撑式阻尼器有限元优化分析

3.1.1弧形耗能段化为平直耗能段

3.1.2中部弧形耗能段化为全长多弧耗能段

3.1.3低屈服点软钢支撑式阻尼器滞回耗能有限元分析

3.2软钢支撑式阻尼器恢复力模型的分析与建立

3.3软钢支撑式阻尼器稳定性分析

3.3.1十字核心钢杆截面加权化为等截面直杆

3.3.2修正十字核心钢杆计算长度

3.4小结

第四章 软钢支撑式阻尼器的设计方法

4.1软钢支撑式阻尼器的设计

4.1.1软钢支撑式阻尼器的设计要求

4.1.2软钢支撑式阻尼器的设计方法

4.1.3软钢支撑式阻尼器的设计步骤

4.2软钢支撑式阻尼器支撑刚度的影响

4.2.1软钢支撑式阻尼器支撑刚度的确定

4.2.2软钢支撑式阻尼器支撑刚度对控制效果的影响

4.3软钢支撑式阻尼器的布置、连接和构造

4.3.1软钢支撑式阻尼器的布置

4.3.2软钢支撑式阻尼器的连接

4.3.3软钢支撑式阻尼器的构造

4.4小结

第五章 基于位移—能量双重性能指标的消能减震结构抗震设计方法

5.1基于性能的抗震设计概念及理论

5.1.1基于性能的抗震设计概念

5.1.2设防标准的确定

5.1.3性能指标的选取

5.1.4基于性能的抗震设计方法

5.1.5基于位移—能量双重性能指标控制结构抗震性能的必要性

5.2新的基于位移—能量双重性能指标的消能减震结构抗震设计思路及方法

5.2.1新的基于性能的耗能减震结构抗震设计思路

5.2.2以位移为性能指标的抗震设计

5.2.3以能量为性能指标的抗震验算方法

5.3新的基于位移—能量双重性能指标的耗能减震结构简化抗震设计方法

5.3.1基于位移的直接设计方法

5.3.2基于能量的简化设计方法

5.3.3主体结构耗能折减系数的确定

5.4基于位移—能量双重性能指标的消能减震结构抗震设计方法算法和算例

5.4.1罕遇地震下有无支撑时程分析比较

5.4.2基于位移—能量双重性能指标的耗能减震结构计算分析

5.4.3基于位移—能量双重性能指标的耗能减震结构简化抗震设计

5.5小结

第六章 软钢支撑式阻尼器消能减震结构优化设计

6.1软钢支撑式阻尼器消能减震结构位置优化分析

6.1.1基于性能的结构优化设计数学模型

6.1.2优化算法和程序

6.1.3优化计算及其结果分析

6.2软钢支撑式阻尼器耗能减震结构参数优化分析

6.2.1刚度比、屈服位移比、屈服剪力比对减震效果的影响分析

6.2.2第二刚度系数对减振效果的影响

6.3软钢支撑式阻尼器耗能减震结构等效阻尼比优化分析

6.3.1等效阻尼比的概念和计算

6.3.2等效阻尼比对减震效果的影响分析

6.4小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢