带有转动摩擦阻尼器钢框架结构的抗震性能研究

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结构耗能减震技术是结构被动控制的一种,在结构中的关键部位安装摩擦阻尼器是耗能减震的一种有效方式。转动摩擦阻尼器作为耗能减震器的一种,其构造简单、耗能能力强且可以根据建筑功能的不同更换阻尼器形式。由于转动摩擦阻尼器形式多变、技术参数复杂,且在国内研究起步较晚,导致研究不够深入,很难推广到实际工程中去。本文主要在课题组进行的有关转动摩擦阻尼器的试验基础上,分析了带有转动摩擦阻尼器钢框架的滞回性能及动力特性,研究内容如下:(1)介绍了耗能减震技术及原理以及摩擦阻尼器的工作原理并且总结了国内、外的学者针对转动摩擦阻尼器进行的理论分析、数值模拟和试验研究。(2)利用ABAQUS有限元软件建立了带有转动摩擦阻尼器的钢框架结构的多尺度模型和实体单元模型,验证了多尺度模型对拟静力、拟动力分析时的有效性。针对多尺度模型,研究了在不同转动摩擦阻尼器高强螺栓预紧力参数下,钢框架结构的耗能性能。设置高强螺栓预紧力分别为0.5P、0.65P、0.8P、P,对结构进行反复位移加载,得到如下结论:(1)钢框架柱脚、梁端首先屈服,转动摩擦阻尼器在整个加载过程中未屈服,且应力主要分布在钢板与摩擦片的接触部分,沿钢板发生扩散,并随着高强螺栓预紧力的增大而增大;(2)各结构的滞回曲线呈现为较饱满的平行四边形,无明显的捏缩现象。且带有转动摩擦阻尼器钢框架的刚度大于普通钢框架结构,说明转动摩擦阻尼器能够为结构提供附加刚度。与普通钢框架结构相比,带有转动摩擦阻尼器结构的承载力提高水平在25%至39%之间,当施加3%层间位移角时,耗能能力均大幅提高,在30%-89%范围内;(3)能量耗散系数、等效粘滞阻尼系数随着高强螺栓预紧力的增加而增大,说明高强螺栓预紧力越大,结构耗能能力越强,但GKJ-0.8P和GKJ-P的耗能系数接近,等效粘滞阻尼系数一样,所以当高强螺栓预紧力增大到一定程度,摩擦阻尼器耗能效果增大很小。(3)研究了4层带有转动摩擦阻尼器的钢框架结构在EI Centro波、Taft波、兰州波作用下的应力发展、层间位移角变化、能量消耗,得到了如下结论:(1)地震加载初始,第一层支撑先屈服,当高强螺栓预紧力为0.65P和0.8P时,各层转动摩擦阻尼器均发挥作用,但当高强螺栓预紧力为p时,仅一层的转动摩擦阻尼器工作效果较明显。因此,高强螺栓预紧力不能太大,要保证转动摩擦阻尼器在大震作用下能够起滑,发挥耗能作用;(2)钢框架结构一层或二层的层间位移角超限,当安装了转动摩擦阻尼器之后,各结构的层间位移角均小于1/50。当高强螺栓预紧力为0.65P和0.8P时,整体结构的层间位移角均减小,且SGKJ-0.8P各层层间位移角最小;(3)摩擦阻尼器耗能占总耗能的比例在22%-40%范围内,当高强螺栓预紧力为0.8P时,摩擦阻尼器消耗的能量最多;高强螺栓预紧力为0.65P时,摩擦阻尼器消耗的能量次之;当高强螺栓预紧力为0.5P和P时,摩擦阻尼器消耗的能量占结构消耗总能量的比重相差不大,所以高强螺栓预紧力不宜太大或太小。(4)采用SAP2000建立11个有限元计算模型,针对钢框架转动摩擦阻尼器5种布置形式进行了模态分析以及8度罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。研究了结构层间位移、顶点位移、顶点加速度、柱底剪力,并对时程曲线及减震率进行对比分析,得到如下结论:(1)带有转动摩擦阻尼器钢框架模型的自振周期由小到大排序为GKJ-ZN4<GKJ-ZN3<GKJ-ZN2<GKJ-ZN5<GKJ-ZN1(GKJ-ZN1~GKJ-ZN5分别为在底部1/4楼高、1/2楼高、3/4楼高、满布、隔层布置阻尼器)。这说明模型GKJ-ZN4中转动摩擦阻尼器为结构提供的附加刚度最大,GKJ-ZN3次之;(2)在8度罕遇地震作用下,带有转动摩擦阻尼器结构计算模型的层间位移明显减少,但顶点最大加速度有放大趋势,说明,转动摩擦阻尼器对位移的控制效果要优于对加速度的控制效果;(3)在距底层3/4高度安装转动摩擦阻尼器的结构计算模型GKJ-ZN3,与其他结构计算模型相比,其整体刚度和抗震能力有明显提高,且能够减缓钢框架结构构件的塑性变形和塑性铰发展。
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