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具有位移放大功能的摩擦自复位支撑及其在双柱式桥墩中的应用

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振动与冲击 2023年第2期42卷 51-59页

作者：王德斌何杰孙治国王东升大连交通大学土木工程学院辽宁大连116028 中国地震局防灾科技学院建筑物破坏机理与防御重点实验室北京101601 河北工业大学土木与交通学院天津300401

针对传统自复位支撑在低强度地震作用下难以充分耗能的问题,基于桥式放大工作机理提出了一种具有位移放大功能的扭转摩擦自复位支撑(self-centering displacement amplified rotational friction brace,SC-DARFB)。介绍了其基本构造、... 详细信息

针对传统自复位支撑在低强度地震作用下难以充分耗能的问题,基于桥式放大工作机理提出了一种具有位移放大功能的扭转摩擦自复位支撑(self-centering displacement amplified rotational friction brace,SC-DARFB)。介绍了其基本构造、工作原理,给出了其理论恢复力模型,通过数值模拟研究了不同初始放大角度下支撑的力学性能,并对附加SC-DARFB的双柱式桥墩结构进行地震响应分析。结果表明:理论恢复力模型能够有效描述SC-DARFB的滞回性能,与数值模拟结果吻合较好;随着初始放大角度的减小,SC-DARFB起滑荷载、最大荷载和耗能能力均有显著提高,且具有较强的自复位能力;合理的设计能够确保支撑的拉、压最大荷载比满足美国钢结构规范限值1-3,基于此原因建议SC-DARFB采用倒V型对称布置形式;将SC-DARFB应用于双柱式桥墩结构,能够有效减小双柱式桥墩结构的最大墩顶位移及震后桥墩残余位移角,通过减小SC-DARFB初始放大角度能够进一步提高双柱式桥墩的减震耗能能力。

关键词：摩擦耗能位移放大恢复力桥梁抗震双柱墩

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位移放大型自复位耗能支撑滞回性能研究

位移放大型自复位耗能支撑滞回性能研究

作者：刘威闯东北林业大学

学位级别：硕士

已有自复位耗能支撑(Self-centering Energy Dissipation Brace,SCED)通过采用形状记忆合金、碳纤维复合筋等材料提高支撑的变形和耗能能力,但形状记忆合金造价较高,碳纤维复合筋等材料存在锚固困难等问题,增加了SCED的工程造价。此外,... 详细信息

已有自复位耗能支撑(Self-centering Energy Dissipation Brace,SCED)通过采用形状记忆合金、碳纤维复合筋等材料提高支撑的变形和耗能能力,但形状记忆合金造价较高,碳纤维复合筋等材料存在锚固困难等问题,增加了SCED的工程造价。此外,为了保证支撑具有良好的复位能力,SCED在制作时需要为复位系统施加一定的预拉力或预压力,进一步制约了支撑的变形和耗能能力。为放大自复位耗能支撑的变形能力,本文开展了如下工作。1、针对传统SCED变形能力不足、造价高昂等问题,本文提出了摩擦—自复位防屈曲支撑(Novel self-centering buckling-restrained brace,NSC-BRB)和无预应力自复位摩擦耗能支撑(Novel self-centering friction energy dissipation brace,NSCB)两种新型自复位耗能支撑,详细介绍两种支撑的构造及工作机理,给出其恢复力模型。2、基于提出的恢复力模型明确影响NSC-BRB支撑滞回性能的关键参数,并运用ABAQUS软件建立20个NSC-BRB有限元模型。分析结果表明:NSC-BRB支撑能够通过支撑轴力与摩擦装置起滑力之间的关系改变自复位系统的工作状态,减少了复位筋断裂的可能,增强了支撑的变形能力。摩擦装置起滑力越低,支撑耗能能力越强,但残余变形较大。对比有限元分析结果与理论恢复力模型,给出设计建议及方法。3、基于提出的恢复力模型明确影响NSCB支撑滞回性能的关键参数,并建立22个NSCB数值模型。研究结果表明:无预应力的NSCB支撑能够通过加载过程中自复位系统刚度的改变获取较好的复位能力,显著提高了支撑的变形能力。摩擦力和自复位刚度的提高能有效提升支撑的复位能力和变形能力,但会降低支撑的耗能能力。有限元分析结果与理论恢复力模型吻合较好,进而给出设计建议及方法。4、为验证提出的NSCB,在本文最后一章完成了NSCB支撑子系统拟静力试验研究。其中详细介绍了试件中的材料性质测试、构件设计与制作、安装及调试和数据采集及处理等工作,并将试验结果与模拟结果进行对比分析。研究结果表明无预应力的复位系统可在滞回加载中获取较大的复位力,且NSCB支撑具有较好的变形能力和复位能力。在仅发挥复位筋50%变形能力的前提下,支撑的最大轴向变形可达20mm,残余变形为1.8mm。

关键词：自复位耗能支撑位移放大滞回性能有限元分析子系统试验

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位移放大型阻尼器研究进展

建筑结构 2020年第S02期50卷 318-321页

作者：徐景洪包海念姜程曦陈铭祺李琮琦池沛扬州大学建筑科学与工程学院扬州225009

传统的位移相关型阻尼器在结构变形较小时往往难以充分发挥工作性能。为此,可采用特殊的构造形式和安装方法,将结构的变形或位移放大数倍后再输入阻尼器,进而提高阻尼器的工作效率和耗能能力。阐述了位移放大的基本概念,并对4种典型的... 详细信息

传统的位移相关型阻尼器在结构变形较小时往往难以充分发挥工作性能。为此,可采用特殊的构造形式和安装方法,将结构的变形或位移放大数倍后再输入阻尼器,进而提高阻尼器的工作效率和耗能能力。阐述了位移放大的基本概念,并对4种典型的位移放大型阻尼器进行了分类介绍,可供理论研究和工程应用参考。

关键词：阻尼器位移放大抗震结构综述

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基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验

同济大学学报（自然科学版） 2017年第5期45卷 643-650页

作者：孙飞飞吴坦烨莫刚邢加为同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092 银川能源学院建筑工程学院宁夏银川750105

为了解决传统黏滞阻尼墙需要较大墙面积来提供足够阻尼力的问题,设计了一种基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙.对传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙的对比试件进行了滞回试验,检验了位移放大型黏滞阻尼墙的放大效果.将传统黏滞阻尼墙... 详细信息

为了解决传统黏滞阻尼墙需要较大墙面积来提供足够阻尼力的问题,设计了一种基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙.对传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙的对比试件进行了滞回试验,检验了位移放大型黏滞阻尼墙的放大效果.将传统黏滞阻尼墙阻尼力公式中引入位移放大倍数,得到了位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式,计算结果与试验结果吻合较好.对位移放大装置间隙导致的滞回曲线滑移现象进行了模拟,通过理论推导研究了间隙比对耗能降低率的影响程度.

关键词：黏滞阻尼墙杠杆位移放大间隙

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位移放大式软钢棒节点阻尼器力学性能研究

位移放大式软钢棒节点阻尼器力学性能研究

作者：刘静哲广州大学

学位级别：硕士

由于地震的作用,传统的抗震方法已经不能满足建筑结构的抗震需求。消能减震技术是一种新型减震技术,是通过在结构中特定位置安装消能器增加结构阻尼的方式来耗能减震。而现有的大部分阻尼器需要较大的位移才能发挥良好的耗能效果。本文... 详细信息

由于地震的作用,传统的抗震方法已经不能满足建筑结构的抗震需求。消能减震技术是一种新型减震技术,是通过在结构中特定位置安装消能器增加结构阻尼的方式来耗能减震。而现有的大部分阻尼器需要较大的位移才能发挥良好的耗能效果。本文提出了一种可以进行位移放大效果的软钢棒节点阻尼器,该阻尼器可以将其位移放大,在小位移作用下也可以发挥出良好的耗能效果,并对耗能元件软钢棒进行进一步设计,采用了有限元软件对该阻尼器模型进行了数值模拟分析,本文主要包括以下内容:（1）提出一种新型位移放大式软钢棒节点阻尼器,该阻尼器在小位移作用下也能实现良好耗能作用,对阻尼器各部件及全域屈服型软钢棒外形进行设计,对位移放大式软钢棒节点阻尼器的优点、构造特征、放大原理等其他方面分别进行阐述。（2）通过与没有位移放大效果的软钢棒阻尼器模型进行对比分析其耗能能力与应力分布情况,研究表明:有位移放大功能的软钢棒阻尼器耗能效果更优,且耗能效果是无位移放大效果阻尼器的4倍。（3）运用有限元软件ABAQUS建立数值模型进行分析,研究了位移放大式软钢棒阻尼器的耗能能力和对应的应力分布图,研究表明:具有位移放大功能的软钢棒阻尼器中的耗能元件产生的位移相对较大,具有良好的耗能效果。通过模拟分析结果得出该阻尼器滞回曲线饱满,表示该阻尼器具有良好的耗能能力;其应力分布图分析可得其应力分布均匀,各部件未出现破坏现象;（4）本文通过采用有限元软件ABAQUS建立了12个不同构造参数的位移放大式软钢棒阻尼器的模型来研究不同参数对该阻尼器耗能特性的影响,并为阻尼器提供最佳的构造设计参考。研究表明:随着软钢棒直径的增加,耗能能力逐渐增大;随着软钢棒个数的增加,耗能能力逐渐增大;不同耗能材料,耗能能力也有所差别,采用复合铅棒材料时,该阻尼器的耗能能力最小,采用软钢棒耗能材料时,耗能能力比复合铅棒耗能效果有明显提高。随着阻尼器放大倍数的增加,耗能能力逐渐增大

关键词：位移放大软钢阻尼器滞回曲线骨架曲线耗能特性

具有位移放大功能的摩擦自复位支撑滞回特性及钢框架抗震性能分析

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具有位移放大功能的摩擦自复位支撑滞回特性及钢框架抗震性能分析

作者：章宇彤大连交通大学

学位级别：硕士

地震韧性概念的提出,使得震后经过简易修复甚至无需修复,便能继续使用的结构成为了目前的研究热点,自复位耗能支撑具有良好的复位和耗能性能,与结构主要受力构件协同工作,消耗地震能量,为结构提供抗侧力,能够有效降低结构的残余位移,提... 详细信息

地震韧性概念的提出,使得震后经过简易修复甚至无需修复,便能继续使用的结构成为了目前的研究热点,自复位耗能支撑具有良好的复位和耗能性能,与结构主要受力构件协同工作,消耗地震能量,为结构提供抗侧力,能够有效降低结构的残余位移,提高了结构的安全性,并降低结构震后修复时间与成本。虽然自复位耗能支撑在近年来得到不断改进创新,但仍存在一些亟待解决的实际问题,本文针对传统自复位耗能支撑在低强度地震作用下的耗能能力不足的问题,提出了一种具有位移放大功能的摩擦自复位支撑(SC-DAFB)。通过试验及数值模拟探究其力学性能,并将该支撑应用于多层钢框架结构中,利用有限元软件对其抗震性能进行分析。主要研究内容如下:(1)提出一种具有位移放大功能的摩擦自复位支撑(SC-DAFB),该支撑由预压碟簧提供复位能力,摩擦装置提供耗能能力。对其构造、工作原理及滞回性能进行详细分析,推导给出了其恢复力模型计算公式,并对其实际工程应用展开了说明。(2)设计并制作了6组具有不同参数的SC-DAFB支撑构件,通过对试件进行低周往复加载试验,得到并对比分析了SC-DAFB的承载能力、滞回曲线、最大拉压荷载比、耗能性能及残余位移等关键力学性能指标。试验结果表明:SC-DAFB在低周往复荷载作用下的滞回曲线饱满且具有显著的旗帜型特征;工作性能稳定,初始放大角度的减小能够提高支撑的起滑荷载、最大荷载等各项力学性能指标。(3)为探究初始放大角度、碟簧预压力、螺栓拧紧力矩等因素对支撑滞回、耗能、复位性能的影响,使用ABAQUS有限元软件对SC-DAFB支撑整体及构件进行精细化建模,并对支撑进行静力加载分析,结果表明:初始放大角度越小,支撑耗能能力越强;增大碟簧预压力,会提高支撑承载能力,降低支撑的耗能能力以及残余变形;随着螺栓拧紧力矩的增大,支撑的耗能能力增强,复位效果降低。(4)基于Open Sees有限元软件,通过并联多个材料库中的单元,建立了SC-DAFB支撑的力学模型。建立一6层SC-DAFB支撑钢框架结构,对其进行非线性地震时程分析,并与同等设计条件的BRB框架结构进行对比分析,以研究不同工况下的SC-DAFB支撑框架结构在中震、大震作用下的结构抗震性能及功能可恢复性能,结果表明:与传统BRB支撑结构相比,SC-DAFB支撑减震效率更高,减小初始放大角度θ可提升其对结构各项地震响应指标的减震控制效果,θ=30°时结构最大顶点位移降幅高达40.80%,能够实现低强度地震作用下结构对支撑的更高承载力和耗能需求。

关键词：摩擦耗能位移放大滞回特性抗震性能残余变形

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压电叠堆位移放大致动器的动态特性

振动与冲击 2012年第21期31卷 146-151页

作者：靳宏金龙徐志科吴明清鲍诗杰东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心南京210096 东南大学电气工程学院南京210096

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对... 详细信息

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对这一压电致动器的阻抗特性进行测量分析。最后通过动态投影栅线法对压电致动器的通放电位移状况进行测量分析。实验结果表明:位移放大机构的谐响应频率为1 724 Hz,能提供较大的输出力矩;压电致动器的谐振频率为8.3 kHz左右,反谐振频率为8.75 kHz左右,它的工作最快响应时间在0.3 ms以内;它能在0.5 ms内完成位移的突变,位移波动小于5μm,且位移量随电压值呈线性变化;放电时的动态位移过程平稳。因此,这一压电致动器具有响应速度快,位移波动小、线性度好、精度高,输出力矩大等较好的动态响应特性,能被广泛应用于各种需要响应快、精度高、位移大的微位移控制驱动系统中,其应用前景值得期待。

关键词：压电叠堆位移放大致动器动态特性

多方向位移放大式低屈服钢阻尼器力学性能研究

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多方向位移放大式低屈服钢阻尼器力学性能研究

作者：何欣广州大学

学位级别：硕士

地震是一种具有突发性和毁灭性的自然灾害,对桥梁结构安全产生巨大威胁。消能减震技术作为提高抗震性能的有效方法,可在桥梁结构的适当部位设置消能器来减少桥梁结构受到的地震作用,以此达到抗震的目的。软钢阻尼器作为消能器的一种,由... 详细信息

地震是一种具有突发性和毁灭性的自然灾害,对桥梁结构安全产生巨大威胁。消能减震技术作为提高抗震性能的有效方法,可在桥梁结构的适当部位设置消能器来减少桥梁结构受到的地震作用,以此达到抗震的目的。软钢阻尼器作为消能器的一种,由于其耗能性能好,造价低廉且工程适用性强,被广泛应用于桥梁结构的抗震中。但是传统软钢阻尼器应用中存在以下不足:（1）小震作用下阻尼器耗能能力不能完全发挥;（2）阻尼器耗能方向单一。基于以上存在的不足,本文提出一种多方向位移放大式软钢阻尼器。为改善耗能钢棒的利用率,设计了一种具有全截面屈服特性的耗能钢棒,作为阻尼器的耗能元件。本文的主要研究内容有:（1）提出一种具有多方向耗能功能的位移放大式软钢阻尼器。阐述了阻尼器各部件的设计参数与结构原理。并介绍了阻尼器的放大机理与安装位置。（2）提出一种具有全截面屈服能力的耗能钢棒,对其进行了外形公式的推导。且分别采用虚功原理和力法推导其初始刚度公式,并推导了其屈服位移与屈服力。并建立了7个耗能钢棒有限元模型对公式进行验证,结果表明有限元计算结果与公式计算结果相差值均在10%以内,证明了公式推导的正确性与有限元模型建立的合理性。（3）建立多方向位移放大式软钢阻尼器的数值模型,对其进行耗能性能、应力分布分析。结果表明该阻尼器在位移大小为10mm以内时,滞回曲线饱满,形状主要为梭型,耗能效果好。对有位移放大功能的阻尼器与无位移放大功能的阻尼器的耗能能力进行比对,结果表明在钢棒个数为8个,布置角度为30°时有位移放大效果的阻尼器的初始刚度提高了1.57倍,耗能能量提高了2.15倍。（4）基于多方向位移放大式软钢阻尼器的数值模型,开展了耗能钢棒布置个数、钢棒布置角度、钢棒布置组合形式以及放大系数的参数研究,并建议提出了阻尼器的本构模型。研究表明阻尼器钢棒数量越多,其耗能能力越好,并提出钢棒数量对阻尼器初始刚度与屈服刚度的计算公式;钢棒布置角度对阻尼器耗能性能的提升较小,总体趋势为布置角度越小,耗能能力越强;钢棒的布置组合形式推荐使用“20°+10°”的形式;阐明了放大倍数对阻尼器性能的影响关系,并提出放大倍数对阻尼器初始刚度的计算公式。

关键词：多方向耗能位移放大软钢阻尼器全截面屈服耗能特性

引入滚珠丝杠的齿轮式位移放大型振动控制装置工作机理与应用

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土木工程与管理学报 2023年第3期40卷 1-7,24页

作者：王海东郑宇飞蒋德松谭文正湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室湖南长沙410082 湖南湖大土木建筑工程检测有限公司湖南长沙410006 中国轻工业长沙工程有限公司湖南长沙410114

在钢筋混凝土结构振动位移过小的情况下,为提升结构附加阻尼器的耗能减振作用,本文提出一种基于滚珠丝杠驱动,齿轮齿条啮合运动的新型位移放大型振动控制装置。文中对装置做了尺寸设计和运作机理分析,并对该装置进行了理论推导,得到了... 详细信息

在钢筋混凝土结构振动位移过小的情况下,为提升结构附加阻尼器的耗能减振作用,本文提出一种基于滚珠丝杠驱动,齿轮齿条啮合运动的新型位移放大型振动控制装置。文中对装置做了尺寸设计和运作机理分析,并对该装置进行了理论推导,得到了位移放大倍数、滚珠丝杠轴力理论公式、位移放大型阻尼器的阻尼力公式以及简谐作用下的滞回耗能公式。运用ABAQUS软件进行有限元分析,软件分析的伪静力数值试验结果与理论推导结果吻合完好,表明了以上推导公式的正确性。结合一个具体微振工程,在简谐激励作用下,对该大型回转装备-单层钢筋混凝土框架结构体系进行了数值模拟分析,结果表明使用该装置后结构的振动控制效果显著。

关键词：滚珠丝杠位移放大丝杠轴力伪静力数值试验振动控制