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增效转动摩擦阻尼的力学性能及应用研究

增效转动摩擦阻尼的力学性能及应用研究

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作者：林子健广州大学

学位级别：硕士

本文针对框架结构梁柱节点处消能减震保护需求,同时解决地震中节点处转角偏小导致阻尼器无法进行充分工作耗能的问题,提出了一种增效转动摩擦阻尼器(ERFD)。ERFD的优点主要包括:(1)构造上设置三个转动区域实现节点转角方向约束解耦;(2)... 详细信息

本文针对框架结构梁柱节点处消能减震保护需求,同时解决地震中节点处转角偏小导致阻尼器无法进行充分工作耗能的问题,提出了一种增效转动摩擦阻尼器(ERFD)。ERFD的优点主要包括:(1)构造上设置三个转动区域实现节点转角方向约束解耦;(2)杠杆原理放大节点转角,增大阻尼器工作区域转角,实现耗能能力增效;(3)布置多个螺栓避免了单个螺栓预紧力失效的风险,采用销轴降低了阻尼器的不利滑移。基于阻尼器的基本构造和工作机理,本文总结了ERFD对节点转角增效的理论公式,并进而结合摩擦力矩公式推导出ERFD的总转动力矩公式。利用ABAQUS软件建立ERFD精细化有限元模型并验证,通过有限元与理论公式的结果对比,证明所推导的理论公式具备很好的预测ERFD承载力的效果。进而在ABAQUS软件中建立了传统节点扇形摩擦阻尼器(SFD)模型和未增效转动摩擦阻尼器(RFD)模型,分析结果显示,ERFD在承载力、刚度和耗能方面均得到明显提高,较于SFD分别增大了17.63%、12.54%、14.53%;其承载能力和耗能能力相较于RFD放大了92.38%、85.49%。证明ERFD的增效效果显著。在可行性分析的基础上,设计了5个试验试件并进行了滞回力学性能试验。试验结果表明:(1)ERFD安装方便,且工作稳定;(2)ERFD的试验、有限元和理论结果拟合效果良好;(3)相较于SFD,ERFD的摩擦更加充分,并在较大螺栓力下拥有更平稳的滞回性能;(4)ERFD的螺栓预紧力损失小于2%,且螺栓在试验加载中的变化幅度也小于5%。(5)销轴大幅削减了转动型阻尼器产生的不利滑移。(6)相较于RFD,ERFD的耗能能力有显著提升,具备优秀的耗能增效效果。基于试验和可行性分析,通过修改ERFD的参数信息,在ABAQUS软件中建立了若干模型用于参数化分析。分析结果表明:(1)与理论公式中关键参数的影响因素一致,板件长度、摩擦系数、螺栓力大小、螺栓力臂等参数对ERFD的承载能力都有不同程度的影响;(2)转动板夹角对ERFD的力学性能有影响,综合考虑安装便利性和力学稳定性,角度控制为90°时性能最佳;(3)ERFD只在转动中心施加螺栓力会导致其性能下降,适当增加螺栓数量可提高稳定性。基于有限元、理论和试验结果,设计了一栋6层框架结构对安装ERFD的减震效果进行动力时程分析。利用ETABS和SAUSG分别模拟多遇地震和罕遇地震作用下结构响应,结果显示,安装了ERFD的有控结构对层间位移角、楼层剪力和顶点加速度时程均有不错的减震效果,两种地震下阻尼器均有着可观的滞回耗能。因此,ERFD对结构具有较好的减震控制能力。

关键词：增效机制节点转动摩擦阻尼器试验研究有限元参数化分析耗能减震分析

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