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中国公路学报 2024年第1期37卷 66-80页

作者：董慧慧胡潇韩强杜修力北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 北京工业大学城市建设学部北京100124

为了减小传统摩擦耗能支撑在强震作用下的残余变形,提出一种基于形状记忆合金(SMA)板材的新型装配式自复位变摩擦耗能支撑(S-SCFB),该支撑主要包括SMA板圆环自复位系统和摩擦耗能系统。首先阐述了新型支撑的基本构造,揭示了其工作机理... 详细信息

为了减小传统摩擦耗能支撑在强震作用下的残余变形,提出一种基于形状记忆合金(SMA)板材的新型装配式自复位变摩擦耗能支撑(S-SCFB),该支撑主要包括SMA板圆环自复位系统和摩擦耗能系统。首先阐述了新型支撑的基本构造,揭示了其工作机理和自复位原理;通过开展SMA板材的材性试验研究了其力学性能,基于SMA板材的力学性能和支撑的工作机理,建立了新型支撑的简化分析模型;然后基于ABAQUS有限元软件建立了新型支撑的精细化实体有限元模型,将数值模拟结果与简化分析模型进行了对比分析,系统地研究了新型支撑的滞回性能及影响规律,同时在OpenSees软件中2次开发了新型支撑的恢复力模型;最后,基于新型支撑优良的滞回性能,将其应用到双柱式桥墩中提升桥墩的抗震韧性。研究结果表明:SMA板材本构模型呈“旗帜”型,具有承载力高,变形能力强,自恢复能力良好等优点;基于SMA板材装配的S-SCFB具有稳定的耗能能力和优良的自复位功能,卸载后无残余变形,同时建立的简化分析模型与数值模拟结果吻合较好;通过调整S-SCFB的设计参数,可有效实现调节S-SCFB滞回性能的目的,具有良好的可调节性;附加S-SCFB可以有效提高桥墩的强度和刚度,降低结构的残余位移,有效提高桥墩结构的抗震性能。

关键词：桥梁工程抗震韧性材性试验数值模拟自复位变摩擦耗能支撑形状记忆合金(SMA)板材滞回性能

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基于谱方法的自复位变摩擦耗能支撑结构减震性能研究

基于谱方法的自复位变摩擦耗能支撑结构减震性能研究

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作者：柏彦霞兰州理工大学

学位级别：硕士

自复位变摩擦耗能支撑(SCVFB)不仅具有摩擦耗能功能,而且可以减小结构震后残余变形,降低结构修复成本,其在工程运用中将会非常广泛。目前最主要的结构抗震设计方法是弹性反应谱设计方法,若想得到结构的弹塑性响应,需要对弹性反应谱进行... 详细信息

自复位变摩擦耗能支撑(SCVFB)不仅具有摩擦耗能功能,而且可以减小结构震后残余变形,降低结构修复成本,其在工程运用中将会非常广泛。目前最主要的结构抗震设计方法是弹性反应谱设计方法,若想得到结构的弹塑性响应,需要对弹性反应谱进行折减,但是通过这种折减方法计算得到的结果误差较大。因此,本文将基于自复位变摩擦耗能支撑,通过计算得到适用于这种支撑设计的弹塑性反应谱,主要研究内容和成果如下:(1)SCVFB的性能研究。简述SCVFB的构造形式、工作原理以及其理论力学模型,并且基于Open Sees有限元软件开源平台和支撑理论力学模型,在材料库中添加SCVFB的本构关系。SCVFB的弹性体弹性系数越大,支撑变摩擦特性减弱,耗能基本保持不变,但是能大大的提高支撑的承载力,因此,为提高支撑的承载力,将其弹性体置换为芳纶复合材料,芳纶复合材料具有高模量、高强度、耐高温、耐酸耐碱、重量轻、耐老化,使用年限长等诸多优点。基于Open Sees有限元软件,建立单轴拉压模型,对支撑进行性能分析,分析结果表明,弹性体采用芳纶复合材料的自复位变摩擦耗能支撑的承载力可提高至800k N以上。(2)SCVFB单自由度结构模型的建立。为获得SCVFB单自由度结构模型下的弹塑性反应谱,基于Open Sees有限元软件建立带有SCVFB的单自由度结构模型。通过改变SCVFB的设计参数,确定SCVFB单自由度结构模型的模型参数分别为:退化后刚度比α=0.05,耗能系数β=1.25,并在此基础上确定延性系数μ分别为2.0、3.0、4.0、5.0。输入120条地震波对SCVFB单自由度结构模型进行弹塑性时程分析。(3)SCVFB单自由度结构模型下的弹塑性反应谱分析。建立弹塑性位移反应谱、残余位移反应谱以及R-μ-T反应谱,并将SCVFB单自由度结构模型下的弹塑性反应谱与无支撑单自由度结构模型的进行对比。研究结果表明:(1)同一场地类型下,当周期T在0到4.5s区间时,延性系数越大,位移谱和残余位移谱的谱值越大,在周期为4.5s、5.1s、5.9s以及6.6s时延性系数为5.0、4.0、3.0、2.0的位移谱曲线分别到达峰值,并且延性系数越大,反应谱的峰值越小,周期T在6.6s之后,延性系数越大,位移谱和残余位移谱的谱值越小;(2)当延性系数相同时,随着场地土越坚硬,其谱值越小;(3)SCVFB单自由度结构模型的刚度远远大于无支撑单自由度结构模型的刚度;(4)R-μ-T谱在短周期范围内变化明显,出现峰值特征,但在长周期范围内基本趋于稳定,这种周期范围与特征周期相关,并且延性系数越大,R-μ-T的谱值越大。(4)SCVFB单自由度结构模型的弹塑性反应谱的应用。建立SCVFB钢框架模型,基于本文计算的SCVFB单自由度结构模型下R-μ-T反应谱,利用Chopra的改进能力谱法,建立该钢框架模型的能力谱以及不同延性系数下的需求谱,确定性能点,以此求解SCVFB钢框架模型的弹塑性响应,将此结果与弹塑性时程分析结果进行对比,两者相差不超过5%,验证了本文计算得到的R-μ-T反应谱的可行性。

关键词：自复位变摩擦耗能支撑芳纶复合材料弹塑性反应谱能力谱法

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新型自复位变摩擦耗能支撑的试验研究及抗震性能参数分析

新型自复位变摩擦耗能支撑的试验研究及抗震性能参数分析

引用

作者：吴伟科兰州理工大学

学位级别：硕士

自复位耗能支撑作为一种新型有效的减震技术手段,具有良好的耗能效果和结构残余位移控制等优点。本文在前人的研究基础上,提出了一种新型自复位变摩擦耗能支撑,该支撑兼具自复位和耗散能量作用的同时,可以根据受到荷载的大小实时地改变... 详细信息

自复位耗能支撑作为一种新型有效的减震技术手段,具有良好的耗能效果和结构残余位移控制等优点。本文在前人的研究基础上,提出了一种新型自复位变摩擦耗能支撑,该支撑兼具自复位和耗散能量作用的同时,可以根据受到荷载的大小实时地改变自身摩擦力大小。又因为该支撑的特殊构造,不同设计参数下支撑具有不同的力学滞回性能,这也保证了支撑能适用于多种工况。本文针对该支撑的主要研究内容及结论如下:(1)自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型在有限元软件中的二次开发。对该支撑的构造形式和工作原理做了详细阐述,并介绍了支撑理论力学模型,借助有限元软件OpenSees的开源平台编写相关代码,完成了在单轴材料库中对自复位变摩擦耗能支撑材料本构模型的添加;对材料杆件单元力学行为进行有限元模拟,结果表明模拟值、理论值和试验值高度吻合,验证了二次开发的材料模型可以用于对支撑的理论分析。(2)基于开发模型的支撑参数性能分析。支撑弹性体弹性系数、摩擦钢板长度、摩擦接触点挠度和摩擦系数等都是影响支撑滞回性能的主要因素。其中,弹性体弹性系数的增大会导致支撑变摩擦特性减弱,而支撑耗散的能量基本保持不变,支撑能够承受的荷载增大;随着摩擦系数的增大,支撑耗能、割线刚度和等效阻尼比都呈现大幅度增加的趋势;摩擦钢板长度减小,支撑表现出更好的变摩擦效果,摩擦接触挠度越大,支撑能够承受的荷载越大。(3)支撑力学试验及相关参数性能研究。设计加工出支撑实体构件,其中弹性体选用高强拉簧。试验结果表明支撑滞回曲线都为“旗帜型”,随着位移的增大,支撑变摩擦效果增强,支撑滞回曲线逐渐呈现“喇叭状”;选用弹性系数较大的高强拉簧时,支撑能够承受的荷载增加而支撑耗散的能量基本不变;增大摩擦接触点挠度和摩擦系数,滞回曲线更加饱满;从各试验工况和支撑疲劳试验结果来看,该支撑具有良好的自复位功能和抗疲劳能力。(4)自复位变摩擦耗能支撑钢框架的抗震性能参数分析。自复位变摩擦耗能支撑钢框架的抗震性能优于传统自复位耗能支撑钢框架和传统钢框架,能实现结构的“可恢复功能”等目标。罕遇地震作用下,各层支撑耗能充分且展现出了一定的变摩擦效果。对比支撑在结构中的不同布置位置,结果显示当支撑布置在结构的(2)(3)轴即中间榀时,结构具有良好且稳定的抗震性能。适当增大支撑的第一刚度和预拉力有利于结构抗震性能的提升。当摩擦钢板长度取200mm00mm时,支撑的经济性和适用性效果俱佳且最有利于发挥支撑的减震作用。

关键词：自复位变摩擦耗能支撑二次开发滞回性能抗震性能参数分析

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