一种橡胶黏弹性阻尼器性能试验及理论模型研究

黏弹性阻尼器是一种简单高效的被动耗能装置,它是由约束钢板夹黏弹性材料组合而成,通过黏弹性材料的剪切滞回耗能来提高结构阻尼、减小结构地震或风振响应。为研究黏弹性阻尼器的耗能和滞回特征,设计加工了2个橡胶黏弹性阻尼器,对其进行变形相关性和频率相关性循环加载试验。分析了其在不同工况下的每循环耗能、最大阻尼力、存储剪切模量、等效黏滞阻尼比等力学性能指标及其变化规律。结果表明,橡胶黏弹性阻尼器滞回曲线饱满、稳定,耗能显著;随着变形的增加,滞回环面积增大;各项力学性能指标与变形幅值的相关性明显,与加载频率的相关性较小。根据滞回曲线高度非线性的特征,提出了一种考虑多种非线性因素的理论力学模型来模拟该类黏弹性阻尼器的滞回性能,模拟结果与试验曲线吻合良好,各力学性能指标误差均小于9.72%,验证了该理论模型的正确性以及应用于非线性时程分析的合理性。     

结构滞回阻尼比计算方法的改进研究∗

目前计算结构滞回阻尼比常用的方法是能量比法,该方法在给定滞回模型的基础上采用滞回耗能与结构总弹性应变能的比值求得结构滞回阻尼比,但该方法是建立在简谐激励下结构稳态响应的基础之上,对于真实地震下结构滞回阻尼比计算并不完全适用。考虑到这一不足,本文提出一种新的迭代计算结构滞回阻尼比的方法,在Carlos提出的结构滞回阻尼比计算方法的基础上,考虑地震激励频率对阻尼比的影响,通过改进Carlos迭代计算方法,得到了考虑地震激励频率影响的滞回阻尼比计算公式,通过该公式分析得出了不同延性系数和周期比对滞回阻尼比的影响规律,结果表明不同延性系数的结构滞回阻尼比会随着周期比的增大先增大再减小。本研究可为结构进入非线性状态后减震结构总体阻尼比的计算提供理论依据。     

等效阻尼比对基于位移的抗震设计的影响分析

等效阻尼比是基于位移抗震设计中确定等效周期的一个关键参数。通过对不同研究者提出的等效阻尼比模型进行比较研究,重点讨论了滞回模型、延性系数和等效周期对等效阻尼比的影响。结果表明,不同等效阻尼比模型的总体变化趋势是一致的;滞回模型对等效阻尼比有很大影响,Ramberg-Osgood模型的等效阻尼比是Flagshaped模型的2.56倍;等效阻尼比随着延性系数的增大而增大,尤其在μ=2～4范围内变化幅度最大;短周期与中长周期等效阻尼比相差2倍多,故等效周期小于1 s时,必须考虑其对等效阻尼比的影响。     

新型开孔H型钢阻尼器有限元分析

设计了分别开椭圆形孔和菱形孔的2种新型H型钢耗能器,阐述了它们的构造与耗能原理。采用有限元软件ABAQUS对开椭圆形孔、菱形孔和条形孔这3种新型耗能器的耗能性能进行数值分析,研究了开孔形状、肢宽与肢高等参数对新型耗能器耗能性能的影响。分析结果表明:新型H型钢耗能器具有饱满的滞回曲线,屈服位移较小、耗能性能稳定,耗能器的屈服位移、初始刚度和等效阻尼比随各肢钢板宽度增大(或高度减小)而增大;在开孔率相近或者肢宽相同的情况下,菱形孔H型钢耗能器的等效阻尼比要比条形孔和椭圆形孔的大,且应力分布更加均匀。     

弹性滑移支座力学性能的试验研究

介绍了弹性滑移支座的原理、构造和特点;通过对其在不同工况下的性能试验,研究了竖向荷载、位移幅值以及加载频率对弹性滑移支座力学性能的影响,并给出了试验值与理论计算值之间的对比。研究结果表明:弹性滑移支座具有良好的工作性能,滞回曲线饱满,耗能能力强;竖向荷载和加载频率对弹性滑移支座的力学性能有一定的影响,而位移幅值对其影响较小;弹性滑移支座的恢复力模型,可以用考虑速度的指数摩擦力模型来描述,并且模拟得较为准确。     

内置超弹性SMA筋-端板梁柱节点数值模拟研究

为提升混凝土框架节点的变形耗能及自复位能力,提出了一种改进的内置超弹性SMA筋—钢端板梁柱节点设计方式。基于OpenSees有限元分析平台,建立了内置超弹性SMA筋—钢端板混凝土梁柱节点的有限元数值模型,对比了低周往复荷载作用下节点滞回和骨架曲线的试验与数值模拟结果,验证了数值模型的有效性。并进一步分析了SMA筋直径和屈服强度对该新型节点滞回耗能、刚度退化和残余变形等力学性能的影响。结果表明,SMA筋的直径对新型节点的承载力和自复位耗能性能有较大影响,在适筋前提下,SMA筋直径越大,节点承载力及自复位性能越高;在一定范围内,SMA筋屈服强度的提高对节点刚度整体影响较小,对残余变形的影响较大。     

装配式摩擦‑软钢耗能支座设计与性能试验∗

结合滑动摩擦耗能及塑性变形耗能机制,设计了一种装配式摩擦?软钢耗能支座。该支座可看作包含摩擦板的滑动摩擦组件与软钢棒的组合,属于一种功能分离式支座。滑动摩擦组件提供了支座的竖向和水平承载力,以及大部分耗能;而软钢棒增强了支座的屈服后水平刚度,有效减小支座滑动位移,破坏后便于更换。利用压剪试验机实测了摩擦?软钢耗能支座的摩擦系数及耗能性能,后者包括滞回曲线、刚度退化曲线、单位滞回耗能及等效阻尼比等指标。最后提出了一种考虑承载能力系数的改进等效阻尼比。试验结果表明：不同竖向荷载下支座的摩擦系数较为稳定,软钢棒与摩擦板共同提供了支座的水平刚度和耗能能力,支座的整体耗能性能良好。     

基于SMA的风机塔架结构风致振动控制研究

随着风力发电机塔架高度的增加及叶片尺寸的增大,风致振动对风机塔架结构可靠性的影响越来越显著。利用形状记忆合金(SMA)的超弹性效应,设计出一套针对风机塔架结构的耗能减振装置,以减小风机塔架结构的风致振动。构建了双线性SMA滞回模型,并集成到Abaqus软件中。以功率1.5 MW的大型风力发电机塔架为例,建立了SMA-风机塔架结构整体分析有限元模型,对其动力性能进行了研究,并做了风荷载响应及振动控制分析。结果表明,与无控状态时相比,装有SMA耗能装置的塔架顶层最大位移和加速度分别减小45%和31%,所提出的SMA耗能减振装置能够有效地控制塔架结构的动力响应。     

芳纶网橡胶复合粘弹阻尼器性能研究∗

在橡胶中加入芳纶网制成新型的复合粘弹阻尼器,对其进行疲劳试验、变形相关性试验和频率相关性试验,并研究新型阻尼器的最大剪应力、存储剪切模量和等效阻尼比等指标的性能变化规律。研究结果表明:该新型复合阻尼器力学性能稳定、阻尼器承受的最大剪应力增大、抗疲劳性能良好、该阻尼器的储存剪切模量和等效阻尼比受变形幅值的影响较大,受加载频率影响较小。根据试验屈服点和硬化点,采用Matlab建立双线性和多线性模型,模拟结果与试验结果拟合良好。     

对称斜群桩侧向动力响应及p-y曲线规律对比试验研究

通过电磁式振动台试验方法,根据相似比理论设计制作对称四直桩和对称四斜桩模型,进行饱和砂土中直斜群桩侧向动力响应试验研究。台面输入加速度峰值为0.15g的正弦波,其频率大小分别为1.5Hz、3Hz和6Hz,以对比分析在不同频率正弦波输入下的斜群桩侧向动力响应特性和p-y滞回曲线规律。试验研究结果表明:(1)在不同频率输入下,通过对比承台加速度和位移峰值大小,对称四斜桩能有效减小桩身的侧向动力响应,在抵抗水平地震作用方面效果要好于四直桩模型;(2)饱和砂土的液化速度与输入正弦波频率成正相关;(3)孔压上升初期p-y滞回曲线不规则,包围面积较小;孔压快速上升周期的p-y滞回曲线近乎椭圆形,包围面积增加,滞回耗能变大,桩土相对位移的正负变化体现了桩土互推的作用过程;(4)土样中接近土表面位置处的p-y滞回曲线的面积略大于较深处点,说明靠近土表位置处的桩土相互作用耗能更加显著。     

基于简化模型的MR阻尼器动力特性

按照结构减振效果位移RMS等价的原则提出的简化模型,分析了MR阻尼器的动力性能。MR阻尼器的等效粘性阻尼系数随施加电压的升高、频率的降低、振幅的减小而提高。施加电压在0～5V时,等效粘性阻尼系数变化幅度较大;达到10V后逐渐趋向饱和。低频、小振幅区域在施加的电压不为零时等效粘性阻尼系数比较稳定,而施加的电压为零时等效粘性阻尼系数随着频率和振幅的升高迅速下降。MR阻尼器可调性主要集中在高频、大振幅区域。MR阻尼器的等效刚度系数约为等效阻尼系数的0.1倍。等效刚度系数随施加电压的降低、频率的增大、振幅的增大而提高。施加电压在0～5V时等效刚度系数变化幅度较大,达到10V后逐渐趋向稳定。     

方钢管再生混凝土柱滞回性能影响因素数值分析北大核心CSCD

为了研究方钢管再生混凝土柱的滞回性能,采用有限元软件ABAQUS开展了不同设计参数下37个足尺试件的有限元拓展分析,揭示了变化参数对滞回性能指标的影响规律。结果表明:基于滞回性能指标需求,再生混凝土可以应用于方钢管混凝土工程承重结构之中。随着含钢率的增加,滞回曲线饱满度、初始弹性阶段刚度、峰值承载力和延性逐渐增大。随着钢材牌号的增大,试件滞回曲线饱满度、峰值承载力逐渐增大,而初始弹性阶段刚度、延性受影响较小。峰值承载力、延性随轴压比的增大而减小,但在同一级加载位移下的耗能系数逐渐增大。随着长细比的增加,滞回曲线的饱满度越来越低,试件的峰值承载力、延性和同级加载位移下的耗能系数明显减小。随着高宽比的增加,初始弹性阶段刚度、峰值承载力和延性逐渐提高,但同级加载位移下试件的耗能系数逐渐减小。     

方钢管再生混凝土柱滞回性能影响因素数值分析

为了研究方钢管再生混凝土柱的滞回性能,采用有限元软件ABAQUS开展了不同设计参数下37个足尺试件的有限元拓展分析,揭示了变化参数对滞回性能指标的影响规律。结果表明:基于滞回性能指标需求,再生混凝土可以应用于方钢管混凝土工程承重结构之中。随着含钢率的增加,滞回曲线饱满度、初始弹性阶段刚度、峰值承载力和延性逐渐增大。随着钢材牌号的增大,试件滞回曲线饱满度、峰值承载力逐渐增大,而初始弹性阶段刚度、延性受影响较小。峰值承载力、延性随轴压比的增大而减小,但在同一级加载位移下的耗能系数逐渐增大。随着长细比的增加,滞回曲线的饱满度越来越低,试件的峰值承载力、延性和同级加载位移下的耗能系数明显减小。随着高宽比的增加,初始弹性阶段刚度、峰值承载力和延性逐渐提高,但同级加载位移下试件的耗能系数逐渐减小。     

扇形铅粘弹性阻尼器性能的有限元分析研究

设计了18组不同构造和参数的扇形铅粘弹性阻尼器(SLVD),采用ABAQUS软件对其进行有限元数值模拟分析,研究了铅芯个数、铅芯直径、铅芯布置形式、橡胶剪切模量、薄钢板与橡胶层厚度比及加载应变幅值对其耗能性能和阻尼特性的影响。分析结果表明:SLVD的耗能系数和等效阻尼比随着铅芯个数的增多、直径的增大而增大,随着橡胶剪切模量、应变幅值的增大而减小;铅芯布置形式应以双铅芯形式为宜,薄钢板和橡胶层的厚度之比应控制在0.4~0.5。     

橡胶颗粒土动剪模量与阻尼比的共振柱试验研究

废旧轮胎橡胶颗粒与砂土组成的橡胶颗粒土相比于纯砂而言,具有密度轻、弹性变形能力强、耗能大、剪切模量低等特点,可广泛应用于边坡、挡土墙和路基回填、桥台跳车治理以及建筑隔震减振等工程领域。通过共振柱试验,重点对比研究了橡胶含量、粒径及围压对混合土动剪切模量和等效阻尼比的影响规律。结果表明,小应变范围内,在围压和粒径相同时,随橡胶含量的增加,橡胶土动剪切模量减小,阻尼比增大,动剪模量比衰退变缓;含量和粒径相同时,围压增大,动剪模量增大,动剪模量比衰退变缓,阻尼比减小。在大应变幅值下,橡胶含量较低时,随着围压增大,动剪模量比衰退明显加快;而当橡胶含量较高时,围压对其影响与小应变范围相同;而围压与橡胶含量相同时,不同橡胶粒径的模量与阻尼比曲线非常接近。橡胶土的动剪模量与阻尼比主要受橡胶含量与固结围压影响,而粒径影响可忽略不计。     

外置耗能壳板的钢框架桥墩抗震性能数值研究

将结构震后功能可恢复和耗能构件可更换引入钢框架桥墩:在墩柱塑性铰区外置低屈服耗能壳板来保护墩柱主体结构,且外置耗能壳板易于震后修复或更换。采用数值模拟方法比较研究了钢框架桥墩与外置耗能壳板的钢框架桥墩的滞回曲线、耗能能力、等效黏滞阻尼比、刚度和强度等抗震性能,探讨了外置耗能壳板参数(如材料屈服应力、安装高度和厚度等)对钢框架桥墩抗震性能的影响及其规律。结果表明:外置耗能壳板的钢框架桥墩抗震性能优于钢框架桥墩,且外置耗能壳板先于墩柱屈服,可有效保护墩柱主体免遭地震损伤;外置耗能壳板安装高度和厚度明显影响钢框架桥墩的抗震性能,而外置耗能壳板屈服应力对钢框架桥墩抗震性能的影响可忽略。     

兼具抗冲击与多向耗能功能的阻尼器力学性能研究

研发了一种兼具抗冲击与多向耗能功能的新型阻尼器。该阻尼器可与抗风支座联合设置,应用于大跨桥梁以满足抗风、抗震的性能需求;应用于高铁桥梁可同时保证桥梁和行驶中列车的安全。介绍了其基本构造及工作机理。通过冲击试验验证了其稳定的抗冲击性能。通过控制加载频率、位移幅值、环境温度等参数对阻尼器的主要性能进行了试验研究,试验结果表明该阻尼器的滞回曲线饱满,耗能能力较好,属于速度相关型阻尼器;该阻尼器的力学模型可采用Maxwell模型进行描述,给出了相关参数的计算公式,计算结果与试验结果较吻合。阻尼液的粘度是影响耗能性能的重要因素,需选用温度稳定性好的粘滞材料。     

SRC异形十字边框柱-RC剪力墙抗震性能分析

针对钢筋混凝土剪力墙抗震性能不足的缺陷,在剪力墙的边缘设置SRC异形边框柱,提出了一种新型混合剪力墙结构。为验证SRC异形十字边框柱-RC剪力墙的抗震性能,基于开源分析程序Opensees,剪力墙采用分层壳单元,外围SRC异形柱框架采用纤维梁柱单元,对缩尺比为1∶2.5的模型结构进行静力弹塑性分析和滞回性能分析。得到构件不同轴压比情况下的pushover曲线、边框柱、剪力墙承担的剪力分配情况、滞回曲线以及等效粘滞阻尼系数。研究结果表明:剪力墙承担了大部分剪力,相比于RC剪力墙,SRC异形边框剪力墙的延性、抗剪承载力、极限位移以及耗能能力均有不同程度的提高,并且随着轴压比增大,提高系数下降。设置SRC异形边框柱有效地改善了RC剪力墙在地震作用下的抗震性能。     

非规则结构平扭耦联隔震支座性能研究

铅芯橡胶隔震支座在平扭耦联地震作用下处于双向受剪及受扭的三向受力状态,与单向受剪或受扭表现出完全不相同的本构关系和耗能情况。作者设计一种平扭耦联装置,对ф100的铅芯橡胶隔震支座进行两种工况的平扭耦联力学性能试验,得到橡胶隔震支座水平Y向的滞回曲线和扭矩与转角的关系。平扭耦联橡胶隔震支座与轴向剪压的试验结果表明,铅芯橡胶隔震支座在平扭力作用下水平刚度、扭转刚度和阻尼比都有所减少,本文所设计的平扭耦联加力装置合理。     

基于SMA隔震支座的双层球面网壳结构地震响应分析

采用橡胶支座的隔震方式是目前较成熟的隔震技术,但橡胶支座存在着水平变形大、阻尼较小、耗能不足等问题。SMA-橡胶复合隔振支座充分利用了形状记忆合金(SMA)丝的超弹性特点,在支座工作时起到恢复力主要补充作用,使得支座在抗侧移能力和耗能方面都得到了加强。通过建立双层球面网壳模型,对其在普通橡胶支座和SMA复合橡胶支座两种不同工况下的隔震效果进行对比分析,说明在采用后者的双层球面网壳结构其杆件的内力值和节点位移值都明显降低,受拉的上弦杆和受压的下弦杆无论是受力峰值及其杆件数量都有所减少,提高了网壳结构的变形协调能力,限制了网壳结构薄弱杆件的破坏,SMA复合橡胶支座起到了较好的减震耗能作用,对双层球面网壳的隔振作用优于橡胶支座。