转动型双阶摩擦阻尼器力学性能研究

作     者：黄镇钦 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张超

授予年度：2024年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：双阶阻尼器 摩擦阻尼器 力学性能 参数分析 非线性动力时程分析 

摘      要：针对传统摩擦阻尼器恒定承载力难以满足不同振动控制目标对阻尼器性能需求这一局限性,本课题提出了一种新型的转动型双阶摩擦阻尼器(RTFD),该摩擦阻尼器通过在构件之间设置角度间隙实现不同摩擦耗能元件的分阶段工作,并通过两销轴与构件之间的配合实现耗能的“杠杆放大机制。本课题通过理论研究、试验研究和有限元模拟分析等多个方面验证了RTFD稳定且高效的耗能能力,并基于试验结果对阻尼器构造进行了优化,提出了改进的转动型双阶摩擦阻尼器(IRTFD)。除此之外,在开源软件Opensees中开发了能够表达IRTFD复杂非线性力学行为的材料本构“IRTFD,基于此,对无控框架结构、带传统摩擦阻尼器的减震框架结构以及带IRTFD的减震框架结构进行了非线性动力时程的对比分析。主要的研究内容和结论如下: (1)对RTFD进行了各工作状态下的受力分析,明确了RTFD二阶起滑位移以及滞回行为的表达式;推导了RTFD在不同工作状态下的承载力表达式;通过理论论证了RTFD摩擦耗能元件的杠杆放大机制及转动板/内板的承载力放大系数表达式。 (2)设计了一个RTFD原型试件并进行了常规加载试验和疲劳加载试验,得益于转动板及内板之间激活装置的可靠性,RTFD在试验中表现出稳定的两阶段工作行为;选用的非金属摩擦材料表现出稳定的摩擦性能,由于摩擦片较低的刚度,钢件摩擦接触面在加载过程中的损伤基本可忽略;在同一预紧力工况下两次重复加载阻尼器的承载力差值小于10.51%,证明了RTFD良好的可重复工作性能;此外,RTFD在三十圈低周往复荷载试验中阻尼器承载力的差值小于10.0%,符合《消规》对摩擦阻尼器疲劳性能的要求。 (3)基于RTFD拟静力试验研究结果,对阻尼器的端板构造、连接方式进行了改进,推导了IRTFD的滞回行为、承载力、杠杆放大系数以及预紧单元的工作路径表达式;通过Abaqus有限元模拟验证了IRTFD相较与RTFD更低的端部弯矩以及应力场;基于IRTFD有限元模型进行了关键参数的敏感性分析,分析结果表明,摩擦系数、螺栓预紧力与阻尼器的承载力呈线性关系,摩擦片到相邻销轴的距离以及两销轴之间的距离是影响阻尼器杠杆放大机制的两个关键参数,此外,通过调整转动板及内板之间夹角的大小可以控制IRTFD的二阶起滑位移。 (4)在Opensees中开发了能够模拟双阶阻尼器非线性行为的材料本构,并对空框架、带传统摩擦阻尼器框架(TFD框架)、带双阶摩擦阻尼器框架(IRTFD框架)分别进行了动力非线性时程分析,分析结果表明TFD框架及IRTFD框架的位移响应、层间剪力以及残余层间变形均小于空框架;得益于IRTFD更优越的耗能能力,IRTFD框架的最大层间位移响应、最大层间剪力响应、残余变形响应均小于TFD框架。