具有自动复位功能的球型钢支座的减震耗能机理及设计方法研究

摘要

本文以一种万向减震支座为研究基础，即在其弹簧元件中隔层设置低屈服点钢板，并将其作为减震耗能构件置于球型钢支座中，使该新型支座实现耗能功能。该新型球型钢支座构造简单、减震耗能机理明确，在满足大震作用耗能要求的同时，又可以满足小震和风作用下的刚度及复位要求，且震后易及时更换。本文对此新型球型支座减震耗能构件在试验研究、有限元数值计算和理论分析上进一步完善。主要研究内容如下:
　　(1)新型球型钢支座减震耗能构件设计:根据地震作用时上部结构和下部结构可能的相对运动，确定新型球型钢支座减震耗能构件的减震、耗能及复位机理，拟通过理论研究、有限元数值计算分析设计支座构件细节，符合在特定空间内的设计要求。
　　(2)采用有限元软件ANSYS设计了20组支座减震耗能构件模型，研究构件构造形式、软钢厚度、板簧厚度、板簧（软钢）宽度和弧高对构件的耗能性能及力学性能的影响。研究表明:支座减震耗能构件在低周往复加载下软钢板材受力均匀，易屈服进入滞回变形耗能阶段;板簧仍处于弹性受力阶段，可提供复位刚度。
　　(3)采用有限元软件ANSYS设计另7组支座减震耗能构件模型，研究其不同的软钢材料与板簧材料屈服强度比值对构件的耗能性能及力学性能的影响。研究表明:软钢与板簧材料强度比对支座减震耗能构件的耗能性能与力学性能均有较大的影响，初步确定软钢材料由Q235与60Si2Mn钢板簧搭配时构件的综合性能较优。
　　(4)结合27组支座减震耗能构件有限元结果分析，初步确定了支座减震耗能构件的力学性能理论分析计算式，并通过另2组不同的构件模型进行计算式的修正及验证，提出了支座减震耗能构件的设计方法。
　　(5)制作支座减震耗能构件试验试件并进行低周往复加载试验观察其滞回性能，试验验证表明:新型球型钢支座减震耗能构件性能稳定、具有良好的自复位功能，可实现耗能目的，且减震耗能构件安全系数较高。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2选题背景及意义

1．3钢耗能器减震耗能研究进展

1．3．1软钢减震耗能装置研究现状

1．3．2减震耗能支座发展动态分析

1．3．3新型球型钢支座减震耗能构件的提出

1．4本文主要研究内容

1．4．1本文拟解决的关键问题

1．4．2研究内容

2支座减震耗能构件的理论基础

2．1 支座减震耗能构件的减震耗能机理

2．2 支座减震耗能构件的自复位机理

2．3支座减震耗能构件的结构选型

2．3．1支座减震耗能构件的延性比

2．3．2支座减震耗能构件的结构形式

2．4支座减震耗能构件恢复力模型

2．4．1 支座减震耗能构件理论恢复力模型

2．4．2支座减震耗能构件的力学模型修正

2．5本章小结

3 支座减震耗能构件的数值分析

3．1减震耗能构件参数设计

3．1．1 支座减震耗能构件参数的选取

3．1．2支座减震耗能构件参数的设计

3．2接触面特性参数的选取

3．2．1摩擦系数

3．2．2接触刚度参数

3．3．减震耗能构件模型建立

3．3．1几何模型

3．3．2单元类型

3．3．3材料本构模型

3．3．4网格划分及加载方式

3．4有限元结果分析

3．4．1软钢厚度影响分析

3．4．2板簧厚度影响分析

3．4．3板簧(软钢)宽度影响分析

3．4．4弧高影响分析

3．5减震耗能构件的屈服形态

3．6本章小结

4支座减震耗能构件设计方法研究

4．1 不同材料支座减震耗能构件有限元分析

4．1．1 不同碳素结构钢材料的选取

4．1．2减震耗能构件的有限元分析

4．2有限元结果及分析

4．3支座减震耗能构件的理论分析

4．3．1 支座减震耗能构件不同构造参数结果分析

4．3．2支座减震耗能构件不同碳素结构钢材料结果分析

4．3．3 支座减震耗能构件的初始刚度计算

4．3．4支座减震耗能构件的最大承载力计算

4．4支座减震耗能构件有限元验证

4．5支座减震耗能构件的设计方法

4．5．1软钢与板簧材料搭配设计

4．5．2支座减震耗能构件力学性能设计

4．5．3 支座减震耗能构件耗能性能设计

4．6本章小结

5 支座减震耗能构件试验研究

5．1 支座减震耗能构件拟静力试验概况

5．1．1试件尺寸及构造

5．1．2试验加载设备

5．1．3试验加载制度

5．2支座减震耗能构件的试验结果分析

5．2．1试验过程与现象

5．2．2试验结果分析

5．3试验情形下的有限元模拟对比

5．3．1试验试件有限元模型

5．3．2有限元结果及分析

5．4本章小结

6．1 结论

6．2展望

参考文献

作者简历

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