设置软钢阻尼器的钢框架消能减震性能研究

摘要

本研究针对设置软钢阻尼器中高层钢框架的消能减震性能，以设计的两个钢框架模型为基础，将其简化为质点系模型，利用Fortran语言编制了非线性时程分析法程序，通过调整阻尼器的参数（位置、数量、型号）和结构楼层的屈服位移，对大量的消能减震体系进行了非线性时程分析。主要内容如下： 1．固定结构模型，改变阻尼器的参数，研究了多种消能减震体系在不同输入地震动作用下的非线性动力特性，包括层间最大位移角、最大位移、最大速度、最大加速度随楼层的变化规律，同时分析了阻尼器设置数量与消能减震体系的塑性滞回耗能、输入能的关系。主要结论有：①层间最大位移角和最大位移随着阻尼器数量的增多而减小，最大加速度同时受输入地震动的影响；②层间最大位移角的减震效果好于最大位移的减震效果，这一特性并不依赖于具体的输入地震波，最大速度、层间最大剪力的减震效果依赖具体的输入地震波；③消能减震体系的输入能量和塑性能幅值关系强烈依赖于具体的输入地震波；④消能减震体系的幅值关系与具体的输入地震波无关，其值随着阻尼器数量的增加而递增，并且最终会稳定在一个上限值；⑤相邻无控楼层的层间最大位移角随着阻尼器数量的增多而放大；⑥设置阻尼器后，塑性滞回耗能由结构的薄弱楼层向有控楼层转移，且大部分能量由阻尼器耗散。 2. 引入阻尼器等效刚度的概念，将两个不同的结构模型联系起来。在定义了动力响应值减震率的基础上，考察了层层设置阻尼器时，动力响应值减震率同阻尼器等效刚度、原结构楼层初期刚度比值的关系，给出了相关的近似公式。结果表明：当阻尼器的附加刚度使结构楼层保持在弹性状态左右时，用该方法分析不同结构模型层间最大位移角减震效果的离散程度较小，即不同结构模型的 曲线很接近，可以用一条均值曲线去近似。 3. 将楼层剪力和阻尼器剪力分开研究。考察了局部设置阻尼器时，多种工况下，不同动力响应值减震效果的变化规律及其影响因素，特别研究了设置阻尼器前后结构楼层剪力的减震效果；讨论了层层设置阻尼器时，楼层塑性滞回耗能和阻尼器塑性滞回耗能与阻尼器设置数量之间的一些特性，用能量平衡的观点解释了软钢阻尼器的耗能减震机理。结果表明：①层层设置阻尼器时，阻尼器数量越多，同一楼层处的 值越大，即由楼层承受的剪力越少，减震效果越明显；②局部楼层设置阻尼器时，阻尼器数量越多，无控楼层的 一般会越小，即无控楼层的最大剪力一般会增大,表明阻尼器过大的附加刚度会造成无控楼层剪力的增加；③无控楼层的剪力和未设置阻尼器的原结构相比，多数楼层放大；④当阻尼器为结构提供的附加刚度使楼层保持在弹性状态时，层间最大位移角和楼层最大剪力的减震率曲线很接近；⑤层层设置阻尼器时，阻尼器数量越多，楼层所消耗的塑性滞回耗能越少，阻尼器的塑性滞回耗能随之增多，但并不等比例递增，而是递增的幅度在不断降低。 4．在现有结构模型的基础上，通过调整结构楼层的屈服位移，固定阻尼器的设置数量和位置（层层设置），研究了阻尼器和楼层的屈服位移比与动力响应值之间的变化规律。结果表明：①绝大多数楼层的层间最大位移角随 值的增大而减少；② 值减小时，各个楼层阻尼器的最大剪力 相差越来越小；③ 一定时，值和输入地震动对最大位移均有影响；④ 一定时，值越大，最大速度越小；⑤ 值一定时，越大，最大速度越大；⑥ 一定的情况下，值越小，越大，越小，即阻尼器的塑性滞回耗能越多，楼层的塑性滞回耗能越少。 5．最后，本研究运用平面杆系模型的非线性时程分析结果，和质点系模型做了对比，研究了不同模型之间计算结果的异同点,验证了自编程序的正确性，初步分析了相关的原因：①分析模型精确程度；②侧向力分布模式：③编程思路；④恢复力模型、积分步长 以及输入地震动等因素。