1、 分類號: TU310710-2009128036 碩士學位論文新型軟鋼阻尼器的提出及其減震性能研究田姚導師姓名職稱葉艷霞副教授申請學位級別碩士學科專業(yè)名稱結構工程論文提交日期2012年05月31日論文答辯日期2012年06月03日學位授予單位長安大學The Proposed of a New Hysteretic Damper and Its Earthquake Mitigation Effect AnalysisA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate:Tian YaoSupervisor:Associate P

2、rof. Ye YanxiaChangan University, Xian, China 摘要近年來,國內外發(fā)生了很多比較大的地震,造成了很大的人員傷亡以及財產損失,地震災害已經成為人類面臨的最嚴重的自然災害之一。我國是一個地震多發(fā)國,抗震減災已經成為一個急需解決的緊要問題,提高建筑物的抗震性能是最直接和有效的方法之一。傳統的抗震主要是依靠建筑物自身的性能以及變形來抵抗地震作用力,從而使結構進入塑性狀態(tài),甚至倒塌破壞。這種方法屬于被動抗震,而且地震力直接作用在建筑物上,這是非常不安全的。近幾十年來,通過國內外學者的不斷研究,提出在建筑物中加入阻尼器,利用耗能器吸收地震能量的方法。當地震發(fā)生時

3、,作用在建筑物上的地震作用力首先作用在耗能阻尼器上,合理的阻尼器布置可以消耗大部分地震力,這樣直接作用在建筑物上的地震作用力就會大大減少,減小結構的位移,在很大程度的提高了建筑物的抗震性能。論文提出了一種新型軟鋼阻尼器回型軟鋼阻尼器,該阻尼器的主要優(yōu)點為構造簡單、制作方便、經濟適用。利用大型有限元分析軟件Sap2000對回型軟鋼阻尼器進行反復循環(huán)加載,并將有限元分析得到的結果與已有的的試驗結果進行對比,證明了本文回型軟鋼阻尼器的可行性并且得到回型軟鋼阻尼器的主要耗能參數。論文給出一個9層鋼框架的算例,用Sap2000軟件對該算例進行非線性時程分析,分別對層層安裝回型軟鋼阻尼器的框架、隔層安裝回

4、型軟鋼阻尼器的框架、薄弱層(底層安裝回型軟鋼阻尼器的框架和未安裝回型軟鋼阻尼器的純框架進行罕遇地震作用下的地震反應分析,計算了四種結構的自振周期、頂層最大位移、中間層最大位移、底層最大位移的大小以及四種結構各層層間位移角的變化,并進行了對比分析。分析結果表明了回型軟鋼阻尼器在框架中可以很大程度的控制結構在地震作用下的位移,提高建筑物的抗震性能,從而有效地保護了整個結構。關鍵詞:耗能減震、軟鋼阻尼器、滯回曲線、非線性時程分析。IAbstractIn recent years, there are a lot of times of earthquake have happened at home

5、 and abroad, which have caused significant casualties and property damage. Earthquake has become one of the most serious natural disasters. Earthquake is happening frequently in China and the earthquake relief has become a critical issue which must to be solved urgently. One of the most direct and e

6、ffective method is to improve the seismic performance of buildings.The traditional seismic mainly rely on the buildings own performance and deformation to resist the force from the earthquake; making the structure into a plastic state, or even collapse. This method is very passive and the seismic fo

7、rce act directly on buildings, which is very dangerous. In recent decades, by the research of scholars both domestic and abroad, a kind of energy theory was raised, that is, putting the energy consumption damper in the building, this kind of damper absorbs the seismic energy directly. When earthquak

8、e occurs, the earthquake force which rolled in buildings before was transferred to role in the energy dissipation dampers firstly, reasonable decorate damper can consume most of the earthquake force, so the earthquake force which role in buildings directly can be decreased greatly, at the same time

9、the structures displacement was reduced deeply, so the buildings seismic performance was improved greatly.This paper raises a new type of metal damper-“hui” (Chinese word“回”type of hysteretic damper; comparing with the existing hysteretic damper we can find out that the new type hysteretic damper ha

10、s the advantages of simple structure, convenient manufacture, economical and convenient construction installation. Based on the large finite element software Sap2000, we add the repeated cycles of loading on the new hysteretic damper. And compared the results of the finite element analysis with the

11、results of exist experiment, we can prove the available of the new metal damper raised by this paper and get the energy parameters of the new hysteretic damper.This paper gives an example of a 9-floors framework; with the large finite element software Sap2000 we give the example nonlinear time histo

12、ry analysis. We analyzed the structure with the new metal dampers in every floors 、the structure with the new metal dampers in every other floors 、the structure with the new metal dampers in the first floor andIIthe structure without the new metal dampers under the action of the rarely met earthquak

13、e seismic, and we get the differences between the displacements of the top and the bottom of the structures and the changes of the displacement angles.Analysis shows that the structure with the new hysteretic damper can control the displacement under earthquake greatly, and improve the seismic of th

14、e building, so as to protect the whole structure.Keywords: passive energy dissipation, metal damper, hysteresis curve, time history analysis.III目錄第一章緒論 (11.1 選題的背景及意義 (11.2 耗能減震技術的原理 (31.3 耗能減震技術的分類 (31.3.1 速度相關型耗能器 (41.3.2 位移相關型耗能器 (61.4 耗能減震技術的國內外研究現狀 (101.4.1 國內研究現狀 (101.4.2 國外研究現狀 (111.5 本文主要工作

15、(12第二章耗能減震結構地震反應分析方法 (142.1 概述 (142.2 靜力彈塑性分析方法 (152.2.1 靜力彈塑性分析方法概述 (152.2.2 靜力彈塑性分析方法的基本原理 (152.2.3 靜力彈塑性分析方法的分析步驟 (192.3 彈塑性時程分析方法 (212.3.1 彈塑性時程分析分析方法概述 (212.3.2 彈塑性時程分析分析方法的基本原理 (212.3.3 地震波的選擇及調整 (222.3.4 結構振動方程的數值積分方法 (232.3.5 彈塑性時程分析方法的分析步驟 (252.4 本文采用的地震反應分析方法 (252.5 Sap2000有限元概述 (262.5.1 建

16、模功能 (262.5.2 分析功能 (272.6 本章小結 (27第三章回型軟鋼阻尼器的提出與有限元分析 (28V3.1 引言 (283.2 回型軟鋼阻尼器的提出 (283.3 回型軟鋼阻尼器的擬靜力試驗有限元分析 (293.3.1金屬材料的恢復力曲線 (293.3.2 建模 (303.3.3 有限元模擬 (313.3.4 結果對比 (333.4 其他厚度的回型軟鋼阻尼器的性能分析 (343.4.1 厚度為10mm的回型軟鋼阻尼器 (353.4.2 厚度為30mm的回型軟鋼阻尼器 (373.5 本章小結 (39第四章設置回型軟鋼阻尼器框架的減震效果分析 (404.1 引言 (404.2 計算模

17、型的概述 (404.2.1 模型的幾何參數 (404.2.2 模型的材料參數 (414.2.3 回型軟鋼阻尼器的支撐 (414.2.4 阻尼器的模擬 (434.2.5 計算模型 (444.3 地震波的選用 (454.4 回型軟鋼阻尼器對結構體系抗震性能的影響。 (464.4.1不同的布置方案對結構模態(tài)分析的影響 (464.4.2 在罕遇地震下四種模型方案對頂層最大位移的影響 (484.4.3 不同的布置方案對結構層間位移角的影響 (564.5 本章小結 (58第五章結論與展望 (605.1 結論 (605.2 展望 (61參考文獻 (62致謝 (67VI長安大學碩士學位論文第一章緒論1.1 選

18、題的背景及意義地震是一種破壞性非常大的突發(fā)式自然災害之一,瞬間的強烈震動就可能給人類帶來毀滅性的災難。隨著地震往復作用次數的增加,地震引起的結構或構件的損傷程度會逐漸的加大,致使結構的承載能力、剛度等逐漸的削弱,當損傷累積到一定的程度后,將會引起結構局部破壞甚至是整體倒塌。一次突發(fā)性的大地震可導致一座繁華的大都市在瞬間被完全摧毀,房屋倒塌與破壞,交通以及水電等生命線被損壞甚至是被切斷,另外,在地震的同時還有可能會引發(fā)疾病、火災、惡劣氣候等次生災害的發(fā)生,繼而將導致嚴重的人員傷亡以及財產損失。全世界每年發(fā)生破壞性地震近千起,就近幾年而言,2008年汶川地震,2010年玉樹地震,2011年日本大地

19、震以及之前的唐山地震等都造成了無數的建筑物的破壞倒塌,特別是汶川地震,造成的人員傷亡及財產損失無以計數。給整個國家都帶來了極其嚴重的損失。正是因為地震的危害如此之大,所以結構抗震在全世界范圍內引起了極大地重視。目前,應用比較廣泛的抗震設防標準即“小震不壞,中震可修,大震不倒”已經在實踐工程中取得了巨大的成果。但是隨著人們需求的增加,高層建筑以及平面及里面形狀不規(guī)則的建筑物也越來越多,這就對建筑物的抗震提出了更高的要求。原有的建筑物設防目標逐漸滿足不了當今社會發(fā)展的需求,眾多學者也從很早之前就開始尋求新的抗震理念,并取得一定的成就。在建筑抗震設計規(guī)范(GB510010-2010中對耗能減震方面的

20、設計提出了具體的要求,改變傳統的用承重結構本身直接來抵御地震作用的思想,從而克服了傳統抗震方法帶來的缺點,提高了建筑物的抗震性能。傳統的結構抗震設計方法主要是適當的來控制結構體系的剛度、強度以及延性,但是結構構件(例如梁、柱、墻以及節(jié)點等在遭受比較大的地震作用時會進入彈塑性狀態(tài),能夠具有較大的延性,以此來消散地震能量,減輕地震反應1帶來的破壞。傳統的抗震方法主要以“抗”為主,通過加大構件的斷面,同時增加配筋來抵抗地震作用力,這樣做的結果會使斷面增大,剛度就會變大,地震越大,所需要的斷面及其配筋也會越大。這種惡性的循環(huán)就大大的提高了建筑物的造價。為了使結構在地震過程中能夠更好地消耗地震能量,結構

21、耗能減震體系成為了研究1第一章緒論的重點,結構振動控制2是在結構的特定的部位安裝某些控制裝置以改變或調整結構的動力特性和動力作用,使建筑物在規(guī)定的范圍內工作,滿足其正常使用的要求。按照控制措施是否需要外部的能源的輔助,可以將結構的振動控制分為三類:主動控制、被動控制以及混合控制3-5,如圖1.1所示。隔震被動控制耗能減震調頻質量與液體裝置(TMD、TLD主動質量阻尼或驅動裝置(AMD結構減震控制主動拉索或支撐系統(ATS、ABS主動變阻尼裝置(A VD主動控制主動變剛度裝置(A VS主動變剛度變阻尼裝置(A VSD混合控制混合主動被動控制APTMD、HMD等圖1.1 結構減震控制分類在這些方法

22、中,主動控制需要外界的能量供給,其技術復雜,造價高,并且各種參數在地震作用下不易確定,所以還處在理論研究的階段,在實際工程界應用中并不廣泛。而被動控制系統則并不需要外加能源的輔助,它的原理是通過利用控制裝置隨著建筑結構一起運動進而產生抗力,改變結構的力學特性,這種裝置的構造簡單、安全可靠、取材方便、經濟適用、易于實現,具有良好的經濟性和可靠性。經過近年來越來越多國內外學者的研究,被動控制的耗能理論研究已經取得了比較成熟成果,同時在工程領域中的實例也是最多的。將耗能構件加入到建筑物當中,利用耗能構件的自身變形耗能性能,首先將作用在建筑物上的地震能量消耗吸收一部分,這樣直接作用到建筑物本身的地震能

23、量就會相對減小,可以在很大程度上保護建筑物免受地震災害而倒塌。而且,這些耗能構件在被破壞之后還可以很方便的更換,這對建筑物的修復起到了很大的作用,修復后的建筑物的抗震性能由于更換了新的耗能構件,其整體抗震性能不至于降低太多。目前耗能構件比較多的應用到框架-填充墻結構中,其目的就是通過利用耗能構件來很大程度的提高填充墻的剛度,進而提高建筑物的抗震性能,從而彌補了框架與填充墻之間由于剛度差異過大導致的填充墻首先屈服,造成整個結構的破壞。2長安大學碩士學位論文3 1.2 耗能減震技術的原理耗能減震技術目前是世界范圍內廣泛研究的一門耗能技術,主要是在建筑物中加入耗能構件,通過耗能構件的受力屈服,可以消

24、耗大量的地震作用力,這種減震技術改變了單純的依賴建筑物自身的變形來抵抗地震作用力,而是利用耗能構件和建筑物兩者共同來承受地震作用,這樣就大大提高了建筑物的抗震性能,這是一種積極有效的抗震措施。另外,耗能減震原理也可以從能量耗散這個角度來進行描述,建筑結構在地震中的任意時刻的能量方程可以寫成如下形式:對于傳統抗震結構: i n e k c E E E E E =+ (1.1對于耗能減震結構: i n e k c h E E E E E E '''''=+ (1.2式中,in in E E '為地震過程中輸入傳統結構、耗能減震結構體系的總能量;,e

25、e E E '為傳統結構、耗能減震結構體系的彈性應變能;,k k E E '為傳統結構、耗能減震結構體系的動能;,c c E E '為傳統結構、耗能減震結構體系的粘滯阻尼耗能;,h h E E '為傳統結構、耗能減震結構體系的滯回耗能;d E 為耗能裝置或耗能元件吸收耗散的能量。從該組能量方程6的對比可以明顯的得出結論,即在相同的地震作用下,加入耗能減震構件的結構中,直接作用在建筑物中的地震力在一定程度上小于沒有加耗能構件的結構。其工作原理可以看成是當建筑物加入耗能構件的的建筑物抵抗地震作用力時,耗能構件在主體結構進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài),消耗大部分

26、地震能量,這樣作用在建筑物主體上的地震能量就很少,進而在很大程度上提高了建筑物的抗震性能,保護了建筑物在強震作用下避免發(fā)生嚴重的破壞甚至是倒塌。1.3 耗能減震技術的分類從20世紀50年代起,耗能減震技術就開始初露端倪,經過幾十年的發(fā)展,耗能減震在國內外都已經有了豐碩的成果。特別是近年來,越來越多的學者都對耗能減震技術進行了深入的研究,研發(fā)了形式多樣的耗能器。目前常用的耗能減震體系包括兩大部分,一部分是速度相關型耗能器,主要包括:粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器。對于粘滯阻尼器的耗能機制是由結構和粘滯阻尼器的相對速度而產生,而粘彈性阻尼器的耗能因素既包括了對結構的相對位移,也與結構和粘彈性阻尼器產生的

27、相對速度有關。另一部分是位移相關型耗能器(又稱為滯回阻尼器,主要包括:金屬屈服阻尼器和摩擦阻尼器,由于這種阻尼器的恢復力模型具有明顯的滯變特性,以此也稱其為滯變型耗能器。另外,位移相關型耗能器是依靠阻尼器與結構在振動時產生的相對位移而產生消能減震作用。1.3.1速度相關型耗能器速度相關型耗能器主要與耗能器兩端的相對速度有關,例如:粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器等。1. 粘彈性阻尼器研發(fā)于上個世紀五十年代,由美國的3M公司開發(fā)成功,但應用到建筑領域則是在六十年代末七十年代初,粘彈性阻尼器的典型的結構形式如圖1.2所示。 圖1.2 粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板相互膠結而成的,鋼板將粘

28、彈層夾緊,這種粘彈性材料是一種高分子聚合物,它同時擁有粘性和彈性的特性。因此粘彈性阻尼器在地震力的作用下,外鋼板和中間鋼板會發(fā)生相對運動,由于粘彈性材料的作用,會產生反復滯回變形,直至阻尼器破壞,這樣能夠吸收、消耗大量的地震能量。如圖1.3所示,粘彈性阻尼器的恢復力曲線呈橢圓形,具有良好的耗能能力,將其加入到建筑物中能夠增加整體結構的水平以及豎向剛度并且可以提高結構的耗能能力。由于粘彈性阻尼器的加工方便并且經濟適用,在實際工程中擁有非常廣泛的應用前景。另外,由于粘性材料特有的性質,粘彈性阻尼器還會受到溫度、頻率、應變幅值等多種因素的影響,這樣隨著周圍環(huán)境的變化,會造成阻尼器的性能非常不穩(wěn)定,發(fā)

29、生較大幅度的變化,從而影響到整個建筑物的耗能能力。 圖1.3 粘彈性阻尼器的恢復力曲線2. 粘滯阻尼器7最早應用于航空、機械和軍事等領域。1990年首次由國外學者將粘滯阻尼器應用于土木工程中。粘滯阻尼器的耗能減震的機理是將結構振動的一部分能量通過該種阻尼器內流體的粘滯耗能而耗散掉,從而可以達到耗能減震的目的。并通過阻尼器自身的振動和其產生相對的位移來消耗能量,從而減少結構的振動損壞。粘滯阻尼器在近幾年來應用的較多,其主要形式包括筒式粘滯阻尼器和阻尼墻。筒式粘滯阻尼器一般由三部分組成:流體、缸體、活塞,如圖1.4所示。當作用于地震荷載后,筒體和活塞產生相對運動,使得粘性液體通過小孔溢出,從而產生

30、阻尼,消耗吸收部分地震力。粘滯阻尼器的恢復力曲線呈橢圓形,如圖1.5所示,耗能效果明顯,與粘彈性阻尼器不同,粘滯阻尼器受溫度和激勵頻率影響較小。 圖1.4 粘滯阻尼器 圖1.5 粘滯阻尼器的恢復力曲線1.3.2位移相關型耗能器位移相關型耗能器的耗能性能主要與耗能器兩端的相對位移有關,例如:金屬耗能器、摩擦耗能器。1. 摩擦阻尼器8是由A.S.Pall教授于上個世紀70年末提出來的,這種阻尼器的耗能原理是根據摩擦做功來耗散地震能量的。目前已有的摩擦耗能器具有多種不同的構造,如摩擦筒制震器、Pall型摩擦耗能器、摩擦滑動螺栓節(jié)點、限位摩擦耗能器以及摩擦剪切鉸耗能器等形式。其中應用最廣泛的是Pall

31、等人設計出來的摩擦耗能裝置9-12,這是一個因為滑動而產生形狀的機構,該阻尼器中帶有摩擦制動板,阻尼器在滑移時受到板間摩擦力的控制,又因為摩擦力的大小是取決于板間擠壓力,因此可以通過松緊節(jié)點板上的高強螺栓來進行調節(jié)。該阻尼器是按照在正常使用荷載以及在小震作用下不會發(fā)生滑動而設計的,而在強震的作用下,阻尼器的主要構件并沒有發(fā)生屈服,而是裝置產生的滑移以摩擦功來耗散地震能量,這樣也改變結構的自振頻率,使建筑結構在強烈地震中改變了自身的動力特性,達到了減震的目的。其結構形式如圖1.6所示,其恢復力曲線如圖1.7所示。 圖1.6 普通摩擦阻尼器平面簡圖(上:平面圖,下:剖面圖 圖1.7 摩擦阻尼器的恢

32、復力曲線2. 金屬耗能器最早是由kelly13等人首先進行研究并且實驗的。它的主要作用就是在地震作用下,確保阻尼器在結構發(fā)生塑性變形前率先發(fā)生了屈服,這樣就會耗散大部分的由于地面運動而傳遞給建筑物的能量。其恢復力曲線如圖1.8所示,目前實際應用中比較常用的金屬阻尼器主要有三類:鉛阻尼器、軟鋼阻尼器以及形狀記憶合金。 圖1.8 摩擦阻尼器的恢復力曲線a 軟鋼阻尼器則是充分的利用了軟鋼具有良好的屈服性能,當進入到塑性階段后具有的良好的滯回性能。軟鋼阻尼器由于具有穩(wěn)定的滯回性能、低疲勞性能并且取材方便、造價較低,對環(huán)境以及溫度的適應性較強等多種優(yōu)點,受到了國內外學者的廣泛好評,就目前而言,軟鋼阻尼器

33、主要是應用在新建建筑物和加固改造工程當中,耗能效果非常明顯。但是在某些方面軟鋼阻尼器也存在著不可避免的缺陷,主要表現在其可恢復性較差,滯回性能則受形狀影響比較明顯,例如加工過程中產生的誤差會造成阻尼器智慧曲線的變形,從而影響其耗能性能,如此一來就對軟鋼阻尼器的形式及構造有嚴格的要求。目前研制的主要類型有加勁耗能裝置14(圖1.9、蜂窩狀或槽型阻尼器15(圖1.10、單圓孔形軟鋼阻尼器16(圖1.11、雙X形軟鋼阻尼器16(圖1.12、圓框(方框阻尼器17(圖1.13、U形或S形鋼元件阻尼器18、折疊薄壁鋼管阻尼器19和無粘結支撐(約束鋼構件阻尼器20等。 圖1.9 X型加勁耗能裝置圖1.10

34、蜂窩狀阻尼器 圖1.11 單圓孔形軟鋼阻尼器圖1.12雙X形軟鋼阻尼器 圖1.13 圓環(huán)(方框耗能器b 鉛阻尼器21主要是充分的利用了鉛這種材料具有大密度、低熔點、高塑性、低強度、強耐腐并且具有潤滑能力強等多種特點,如圖1.14所示,另外,由于鉛有著較高的延性以及柔性,因此在變形的過程中可以大量吸收地震能量,由于具有較強的變形跟蹤能力,通過動態(tài)回復以及再結晶過程,鉛阻尼器的性能還可以恢復到變形前的狀態(tài)。 圖1.14 鉛的阻尼本領與其他材料的比較通過與已有一些阻尼器的對比,可以知道鉛阻尼器具有其特定的優(yōu)點:(1使用壽命較長;(2阻尼力比較可靠;(3對位移的變化比較敏感;(4工作中很少需要進行維護

35、。但是它的恢復性比較差并且鉛對環(huán)境容易造成污染,因此使得鉛阻尼器在工程中的應用受到一定的限制。c 形狀記憶合金22(又稱為SMA是一種同時具有驅動和感知功能的新型材料。如圖1.15所示,它與傳統的材料有著明顯的區(qū)別,主要表現為其具有較高的阻尼特性以及有著大變形超彈性的特性,以此能夠重復的屈服而不會產生永久性的變形,具有非常好的耗能能力。 (a(b(a普通金屬材料(b形狀記憶合金材料圖1.15 形狀記憶合金示意圖但是形狀記憶合金所用的材料價格較高,主要應用范圍在航空等方面,如果應用到建筑當中則需要的量非常大,相對來說很不經濟。通過以上對各種阻尼器的介紹對比,可見軟鋼阻尼器具有構造簡單、制作方便、

36、安全無污染并且經濟適用等多種優(yōu)點,這就使得軟鋼阻尼器在隔震減震方面的研究具有相當大的實用價值,并且應用前景非常的廣闊。因此在論文中提出的阻尼器為軟鋼阻尼器。1.4 耗能減震技術的國內外研究現狀1.4.1 國內研究現狀近30年來,國內學者對耗能減震技術及相關理論、方法進行了大量的研究與應用,取得了豐碩的成果。李冀龍、歐進萍等利用形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,簡稱SMA分段線性化本構關系,推導了X形和三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滯回模型23。并利用軟鋼的Ramberg-Osgood本構關系(R-O模型24和軟鋼的雙線性本構關系25,依據經典力學原理推導建立了X形和三角形鋼

37、板阻尼器的阻尼力滯回模型。李宏男、劉光磊、林立巖等提出了一種耗能減震加層結構新體系,即利用舊有建筑頂層與加層結構之間的摩擦墊層并依靠在兩結構各層連接點處增設的耗能阻尼器來吸收耗散能量的減振體系26。李鋼、李宏男等分別對框架結構中安裝耗能減震裝置前后進行了水平地震作用的推覆分析,揭示了由于耗能支撐的安裝使框架柱軸力明顯增加這一現象。這種軸力的增加,可能會超過柱軸力設計允許值。提出了驗算耗能支撐帶給框架柱附加軸力的計算方法及驗算過程,同時改進了耗能減震結構的設計流程,使得耗能減震技術進一步完善27。裴星洙、賀方倩、王星星等對設置金屬阻尼器的高層空間鋼框架結構在大震作用下進行時程分析。通過結構的屈服

38、強度的0.1至0.5倍依次來設定金屬阻尼器的阻尼量,并比較各種阻尼量下樓層的最大位移、速度、加速度以及結構的名義塑性率等響應值,以此得出鋼框架臨界結構設置金屬阻尼器的最佳阻尼量28。樂登、鄧雪松、周云等介紹了幾種常用金屬耗能器的構造、原理與性能及其在建筑、橋梁抗震加固工程中應用的概況,給出了典型工程實例,并提出了金屬耗能器在加固工程應用中應解決的一些問題29。王尤顏,白鴻柏,路純紅等對金屬橡膠疊層復合材料進行動態(tài)加載試驗,發(fā)現該材料具有明顯的非線性遲滯特征,遲滯回線并非橢圓。運用粘彈等效阻尼測試方法,分析材料的動態(tài)剛度與阻尼損耗因子隨幅值、頻率的變化規(guī)律。試驗結果表明,阻尼器的彈性性能和阻尼性

39、能受幅值、頻率的影響較大30。楊李、黎葉、昆軍利用鉛的塑性變形能力.設計制作了鉛擠壓阻尼器.研究結果表明,鉛擠壓阻尼器的屈前剛度大、滯回曲線豐滿。在小位移加載時,阻尼比高達0.5以上;鉛擠壓阻尼器的阻尼性能與加載頻率無關,工作性能穩(wěn)定31。李鋼、李宏男提出了一種應用于耗能減震體系參數設計的新型優(yōu)化數學模型。模型目標函數體現了明確的設計意義,在保證幾種地震波作用下結構最大層間位移角接近設計值的前提下,盡可能使得應用的耗能體系剛度最小。新模型同時解決了不同地震波作用下優(yōu)化結果各不相同,優(yōu)化參數難以選擇的問題,是一種有效的優(yōu)化設計方法32。曲激婷、李宏男、李鋼提出一種位移型消能器優(yōu)化布置的新型數學模

40、型,考慮了地震作用下三種不同的結構控制指標。進行三種有控結構在不同類型場地條件下的時程反應分析,得到目標函數中加權系數最佳取值組合,體現綜合控制效果上的最優(yōu)。數值算例驗證了新模型的有效性,給出可以指導消能器優(yōu)化布置方面的經驗性結論33。李中軍、李鋼、李宏男、邢福國通過合理設計消能支撐來彌補結構薄弱層在正常使用和小震作用下的側向剛度, 利用消能支撐屈服后所具有的耗能能力來提高結構在大震作用下的抗震性能34。李宏男、李鋼、李中軍、邢福國提出了適合工程實際應用的“雙功能”軟鋼阻尼器,對單圓孔型及雙X型軟鋼阻尼器進行了擬靜力往復加載試驗,試驗結果表明,兩種阻尼器均具良好的滯回耗能特性;將兩種阻尼器應用

41、于實際工程中,成功地解決了薄弱層問題,同時給出了鋼筋混凝土結構中安裝“雙功能”軟鋼阻尼器的設計過程35。1.4.2國外研究現狀相對于國內的研究,國外學者在更早之前就對耗能減震進行了大量的探索,取得的成就也相對來說比較多。1972年Kelly36首先提出耗能減震概念,并開始進行金屬屈服阻尼器的研究和實驗,隨后各國學者相繼開始對這一技術展開研究,研制了不同材料形式的金屬耗能器,例如軟鋼。1991年Wittaker等人首次研制了X型加勁阻尼耗能裝置(XADAS37,Bergman和Goel 對此裝置進行了試驗研究,證明X型耗能器具有良好的滯回曲線,耗能效果明顯。1992年Tsai等人在X型耗能裝置的

42、基礎上研制了三角形加勁阻尼耗能裝置(TADAS 38-39,并進行了低周反復加載試驗,其耗能性能與X型加勁阻尼耗能裝置基本一致。日本新住友醫(yī)院40為了在震后能正常使用,采用極低屈服點剪切板耗能器進行結構減震控制,布置方式為附加短柱的形式。在加入耗能器后很好的控制了結構的位移反應,使最大層間位移角由0.011rad變?yōu)?.008rad。1976年,美國波士頓60層的John Hancock大樓41在58層上安裝了兩個重300噸的TMD,質量塊在9米長的鋼板上滑動,它很好地減小了大樓的風振反應,防止了玻璃幕墻的脫落。日本的Yokohama海岸塔40是一個高101米的鋼塔架結構,為減小結構的風振反應

43、,在結構上共設置了39個圓柱形的TLD,實例分析表明,安裝了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%,在強風作用下塔的加速度減小到原來的1/3,滿足舒適度要求。墨西哥Izazagea 38-40號大樓40利用耗能減震技術進行第二次改造加固,安裝了250組ADAS阻尼器,使主方向的基本周期分別從3.82s和2.33s減小到2.24s和2.01s,樓層間側移減小40%,而基礎剪力系數保持不變。加拿大Sorel的一幢教學樓40建于1967年,在1988年的Saguenay地震中受損,其抗側能力和延性均不能滿足規(guī)范要求,為此在支撐上安裝了摩擦阻尼器對其進行加固,效果良好。美國洛山磯的兩幢基礎隔震的民

44、用住宅41,其基礎隔震系統就是由螺旋彈簧和粘滯阻尼器構成的;在意大利的一座長1000米,重25000噸的橋梁的每一個橋臺下安裝了粘滯硅膠阻尼器,阻尼器重2噸,長2米,活塞桿的行程達500mm,能抵抗500噸的力,耗散2000千焦的能量。1.5 本文主要工作本文課題是以建筑抗震設計規(guī)范GB50010-2010中關于消能減震的規(guī)定為依據的,主要研究的消能構件是位移型耗能器中的金屬耗能器,主要工作如下所述:1結合實際情況,說明了結構抗震的重要性。詳細介紹了耗能減震技術的原理和分類,并針對國內外的發(fā)展和應用舉例說明。2在已有的金屬耗能器的基礎上提出本文研究的新形式耗能器-回型軟鋼阻尼器,該回型軟鋼阻尼

45、器的優(yōu)點在于其結構形式簡單、制作方便。3利用大型有限元軟件Sap2000對論文中的回型軟鋼阻尼器進行擬靜力加載有限元分析,進行數值模擬,得出回型軟鋼阻尼器的滯回曲線以及阻尼器的耗能參數,并與現有的試驗數據進行對比,證明回型軟鋼阻尼器具有良好的耗能能力,在實際工程中具有較高的應用價值。4利用大型有限元軟件Sap2000對裝有回型軟鋼阻尼器的9層鋼結構框架以及隔層安裝回型軟鋼阻尼器、薄弱層安裝回型軟鋼阻尼器、未安裝回型軟鋼阻尼器的同樣的鋼結構框架進行地震動力非線性時程有限元分析,在不同的地震波及地震幅值的作用下,得出四種框架模型的周期之間的關系,頂層最大位移、中間層最大位移、底層最大位移以及它們之

46、間的關系,另外還得出了四種模型最大層間位移角之間的差異,由四種模型所得到的結果可以得出論文中提出的回型軟鋼阻尼器在加入到鋼框架中可以在很大程度上提高建筑物的抵抗地震力的作用。第二章耗能減震結構地震反應分析方法2.1概述結構的地震反應主要是指由地震而引起的結構振動,包括在結構中所引起的速度、位稱、加速度以及內力等,這屬于結構的動力反應范疇。影響結構的動力反應的主要因素主要有兩方面,一方面是來自外界的影響,即地震反應的強弱程度以及隨時間變化的特征;另一方面是來自結構自身的影響,即本身的自振周期和阻尼的大小。由于兩種因素都具有不確定性,所以綜合來看,地震引起的結構反應是一個非常復雜的動力問題,為了便

47、于計算,國內外學者也都做了大量的研究,并提出了多種地震反應的分析方法。對于加入金屬阻尼器的框架結構在地震作用下的反應分析,建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2010第十二章特別做出了規(guī)定,在符合“三水準兩階段”的基礎上將結構在消能減震(阻尼器方面規(guī)范化。消能減震體系應滿足下列性能標準:(1消能部位可以根據需要沿著結構的兩個主軸的方向分別來設置。消能構件宜設置在結構變形較大的位置,其數量和布置應通過綜合分析來合理確定,這樣就會有利于提高整個建筑物的耗能能力,形成均勻合理的受力體系。(2當主體結構基本上處于彈性工作階段時,可以采用線性分析方法來簡化估算。(3消能減震結構的自振周期應根據消能減震結

48、構的總剛度來確定,總剛度應為結構的剛度和消能部件的有效剛度的總和。(4消能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和消能部件附加給結構的有效阻尼比的總和;多遇地震和罕遇地震下的總阻尼比應分別計算。(5對主體結構進入彈塑性階段的情況,應根據主體結構體系特征,采用非線性時程分析方法或者靜力非線性分析方法。在非線性分析中,消能減震結構的恢復力模型應包括恢復力模型和消能部件的恢復力模型。(6消能減震結構的層間彈塑性位移角的限值,應符合預期的變形控制要求,宜比非消能減震結構適當減小。(7當消能減震結構的抗震性能明顯提高時,主體結構的抗震構造要求可適當降低。降低程度可根據消能減震結構地震影響系數與不設置消能減震裝

49、置結構的地震影響系數之比確定最大降低程度應控制在1度以內。結構抗震設計理論作為一門科學來研究于20世紀初建立起來,隨著科技的發(fā)展以及對地震動特性理解的不斷深化,結構抗震分析理論的發(fā)展經歷了靜力彈性分析、反應譜分析、時程分析和隨機地震分析四個階段。目前常用抗震分析理論方法主要有反應譜方法,pushover方法,時程分析方法等。對于金屬耗能減震結構的分析方法通常有以下幾種:靜力彈塑性分析方法、能量分析方法、基于等價線性化的振型分解法以及非線性時程分析方法。本章將從抗震設計方法入手,詳細介紹應用的比較多的兩種非線性抗震反應分析方法,即彈塑性時程分析方法和靜力彈塑性分析方法。2.2 靜力彈塑性分析方法

50、2.2.1靜力彈塑性分析方法概述靜力彈塑性分析方法42(Static Elastoplastic Analysis Procedure,又稱為是Pushover 分析方法,主要是指結構或者構件受到了一個沿結構高度為某種規(guī)定分布模式逐漸增加的側向力或側向位移,直到結構從彈性階段開始,經歷開裂、屈服、直到達到某一破壞標志為止,從而可以得到想要的分析結果。Pushover分析方法從本質上來說是一種靜力非線性分析方法,但其不同之處在于Pushover分析方法可以逐漸施加的是模擬地震水平慣性力的側向力。Pushover分析法的突出優(yōu)點在于它既考慮了結構的彈塑性特征又將設計反應譜引入到計算過程和結果的評價

51、當中,工作量相對來說比較小。2.2.2靜力彈塑性分析方法的基本原理43靜力彈塑性分析方法(Pushover分析法之所以能夠實現,原因在于人為地規(guī)定了兩個基本假定44:(1 在地震反應的過程中,假設結構的側移一直表示位移形狀向量,并且無論側移多大,都看做是持續(xù)不變的。(2 當結構為一個多自由度體系的時候,那么該結構的地震反應與其等效的單自由度體系之間存在著一定的聯系,這樣就可以假設多自由度體系的結構的地震反應只是由第一振型控制;從這兩個基本的假定可以明顯看出其在理論上是存在缺陷的。但是通過總結已有的理論及實驗研究,當一個結構的振型主要以第一振型為主的時候,用靜力彈塑性分析方法進行地震反應分析時可

52、以得到合理的結果。在用Pushover分析方法進行分析,當結構為多自由度體系時,首先需要將其轉化為與其等效的單自由度體系。如圖2-1(a所示,考慮當該多自由度體系45,46具有n個自由度的時候,可以將這個多自由度體系轉換為單自由度體系,如圖2-1(d,這個過程是在三個基本的假定的基礎上進行的:(1 水平地震力在多自由度體系和其等效的單自由度體系上所做的功是一樣的;(2兩種結構的基底剪力相等;(3 多自由度體系按照假定的側移形狀產生地震反應。等效單自由體系的建立過程如下,在地震作用下,任何具有阻尼、剛度以及質量的結構或構件,其動力學的平衡方程都可以表示成如下形式,1g M X C X Q M x

53、 +=- (2.1其中,g x 為地面運動的加速度;M為多自由度體系的質量矩陣;Q為多自由度體系的恢復力矩陣;C為多自由度體系的阻尼矩陣;X 、X 、X 為分別為結構的相對速度向量、相對加速度向量和相對位移向量;I為單位向量。根據假定(1,多自由度體系的位移向量,(t u 可以表示為,(t u =(t z (2.2式中,(t z 為一個時間函數;(為多自由度體系的側移形狀函數,可以根據具體的結構的質量和剛度沿高度分布的情況,采用某一側移函數。如假定質點沿水平方向的振動為簡諧振動,則式(2.2可寫為,(t u =t Sin Y 0( (2.3式中,0Y 表示振幅;為圓頻率。由式(2.3可以得到多

54、自由度體系的加速度向量,(t a ,(t a = -(02Y t Sin = -2,(t u (2.4設等效單自由度體系的等效質量為eff M 、等效剛度為eff K 、等效阻尼比為eff ,相應的等效位移為eff u ,基底剪力為b V ,如圖2.1(d所示。 (a 多自由度體系 (b 位移形狀 (c 加速度和慣性力 (d 等效單自由度體系圖2.1 多自由度體系及等效單自由度體系將多自由度體系各質點的側移i u 除以等效位移eff u ,并用i c 表示,即i c =eff i u u (2.5由式(2.4可見,每個質點的加速度i a 與位移i u 成比例,故有i c =eff i a a

55、(2.6式中,eff a 為等效單自由度體系的等效加速度。多自由度體系質點i 的水平地震作用可以表示為eff i i i i i a c m a m F = (2.7根據假定(2可以得到,b V =eff eff eff ni i i n i i a M a c m F =(11 (2.8則等效質量表示為,eff M =eff ni i i u u m =1( (2.9由式(2.6、式(2.7、式(2.8可得到原結構的各質點水平地震作用i F ,即i F =b n j jjii V u m u m =1 (2.10 根據假定(3,水平地震力在兩種體系上所做功相等,即i ni i e f f b

56、 u F u V =1將式(2.10代入上式,可得=ni i in i i ieff um u m u 112 (2.11 如果將結構各點的側移用位移形狀向量和結構頂點位移r u 來表示,那么就會得到r i i u u 1= (2.12將式(2.9分別代入式(2.10和式(2.11,可得用位移形狀向量表達的等效質量和等效位移,即= =n i ii n i i i effm m M 121211 (2.13 1r eff u u =(2.14=n i ii n i i i m m 121111 (2.15 式中,1表示第一振型的振型參與系數;i 1表示第一振型第i 質點的振型值。由式(2.14可

57、得一個重要轉換關系,即如果已知等效單自由度體系的等效位移eff u ,則得相應的原多自由度體系的頂點位移eff r u u 1=。由式(2.12和式(2.14,可得另一個重要的轉換關系:如果已知等效單自由度體系的等效位移eff u ,那么相應的原多自由度體系各個質點的位移為eff i i u u 11=。關于等效周期eff T 和等效阻尼比eff 的計算,研究者一般將實際的力位移關系簡化表示為雙線性力位移模型,如圖2-2所示,并取屈服后剛度與初始彈性剛度之比為。設初始彈性剛度為e k ,那么屈服后剛度為e k ,屈服強度和屈服位移分別表示為y f 、y u ,若極限位移為max u ,那么等效單自由度體系的位移延性系數為y u u max =。等效單自由度體系的等效剛度eff K 取最大位移所對應的割線剛度(如圖2.2所示,其中最大位移取其等效位移,則其等效周期和等效阻尼比分別為,eff T =+-1T (2.16 e f f =(+-+20111