新型预压弹簧自恢复耗能支撑性能分析及试验研究

摘要

针对普通支撑受压易屈曲、拉压滞回反应不对称，防屈曲支撑虽滞回曲线饱满、耗能能力强但震后存在较大残余变形使其加固修复比较难等问题，国内外学者提出了一种自恢复耗能支撑体系。该支撑多采用形状记忆合金或预应力筋提供恢复力使结构震后能够恢复到变形前的状态从而减少或消除结构的残余变形。而形状记忆合金变形后需对其加热处理才可实现自恢复能力，预应力筋弹性变形小易进入塑性阶段不能满足支撑延性要求。因此，本文研制了一种由预压碟簧提供自恢复能力、耗能装置耗散输入能量的新型预压弹簧自恢复耗能(Pre-pressed DiscSprings Self-centering Energy Dissipation，简称PS-SCED)支撑，其恢复力、刚度、变形要求均可通过改变碟簧组合形式实现、易满足工程实际需求。本文对PS-SCED支撑的滞回性能及功能可恢复性进行了研究，建立了能够描述支撑力学性能的恢复力模型并对足尺PS-SCED支撑构件进行了拟静力试验，主要内容如下:
　　(1)研制新型PS-SCED支撑，对其在低周往复荷载作用下的滞回性能进行了研究，基于刚度的变化建立了PS-SCED支撑承载力的计算方法，并基于支撑内外管弹性变形、叠加碟簧双折线弹性模型与摩擦装置理想弹塑性模型建立了支撑恢复力模型;
　　(2)对1.2米圆形截面内管PS-SCED支撑构件在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了有限元数值模拟分析，研究了PS-SCED支撑的耗能能力、割线刚度及其退化规律、等效阻尼比等参数的变化规律。PS-SCED支撑呈现出饱满的旗形滞回曲线，由第一刚度转变为第二刚度后，支撑耗能增量与变形增量成正比，割线刚度稳定减小，等效阻尼比增大;当耗能稳定后由于支撑的恢复性能，使得等效阻尼比减小。在低周反复荷载作用下，采用所建立的恢复力模型对PS-SCED支撑的滞回响应进行了模拟，并与支撑实体单元模型计算结果进行了对比分析，滞回曲线吻合较好，表明所建立的恢复力模型能够很好的描述支撑构件的滞回性能;
　　(3)对相同规格有无支撑面碟簧及压并后的碟簧进行压缩试验，对比分析碟簧压并前后恢复性能参数的变化，压并后的碟簧刚度增大、压并高度减小、耗能能力增大，有支撑面碟簧较无支撑面碟簧刚度大、压并高度小;并且对使用无石棉有机摩擦材料的摩擦装置在不同螺栓扭矩的初始工况下进行低周往复荷载试验研究，摩擦装置均呈现出理想弹塑性，滞回曲线饱满、耗能能力强，均值法拟合出摩擦力与螺栓扭矩成线性关系;
　　(4)对1.2米PS-SCED支撑足尺构件在相同碟簧预压力、不同摩擦力初始工况下进行拟静力试验研究，支撑滞回曲线饱满且耗能能力随摩擦力的增大而增大，当摩擦力大于碟簧预压力时，出现残余变形，但支撑仍具有一定的自恢复能力。支撑内外管处于弹性变形范围内的骨架曲线为理想双折线弹性模型，体现其良好的延性性能及稳定耗能能力。低周往复荷载作用下的极限承载力试验研究表明，PS-SCED支撑抗压承载能力远大于支撑内外管截面承载力，且大于支撑抗拉承载力，但支撑受拉时延性性能较好。内管或外管发生塑性变形后支撑出现残余变形，且残余变形随着支撑变形增大而增大，支撑连接板屈曲前，受拉残余变形约为最大变形的32％，受压残余变形约为最大变形的10％，体现了支撑良好的自恢复性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 普通钢支撑性能

1．3 防屈曲支撑研究现状

1．4 自恢复耗能支撑研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 PS-SCED支撑受力性能研究

2．1 引言

2．2 PS-SCED支撑构造

2．3 PS-SCED支撑力学性能

2．4 PS-SCED支撑恢复力模型

2．4．1 碟形弹簧

2．4．2 碟簧与摩擦装置的叠加

2．4．3 支撑恢复力模型

2．5 本章小结

3 PS-SCED支撑抗震性能数值模拟分析

3．1 引言

3．2 PS-SCED支撑有限元模拟

3．2．1 模型的建立

3．2．2 数值模拟结果分析

3．3 本章小结

4 足尺PS-SCED支撑构件拟静力试验研究

4．1 引言

4．2 试验目的及内容

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验内容

4．3 碟簧装置的研究

4．3．1 碟簧装置一

4．3．2 碟簧装置二

4．3．3 滞回性能对比分析

4．4 摩擦装置试验

4．4．1 摩擦装置

4．4．2 试验结果分析

4．5 PS-SCED支撑的试验研究

4．5．1 足尺支撑构件加工

4．5．2 支撑试验概况

4．5．3 试验结果分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

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