附加低屈服点钢金属阻尼器结构的抗震机理与振动台试验研究

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地震是人类无法避免的自然灾害,能够在短时间内损坏结构的内部构件,使建筑结构被摧毁,给人类社会带来了经济损失和生命安全等问题。金属阻尼器作为现有的耗能技术之一,能够通过金属的弹塑性滞回变形消耗大量的地震能量。
  低屈服点钢的力学性能相对稳定,且屈服强度低于普通钢,在相同大小的荷载作用下比普通钢更早地进入塑性状态,具有较强的塑性变形能力,且在变形过程中吸收大量的能量,从而保证主体结构的安全与稳定。
  本文对附加弯曲型低屈服点钢阻尼器钢框架进行了比较系统地研究,主要的研究内容如下:
  (1)首先对低屈服点钢(LYP100)进行材性试验,得到LYP100钢材的应力-应变本构关系,为后文的数值模拟提供理论依据。根据相似比关系设计出两个单跨两层的钢框架,在其中一个结构中布置弯曲型低屈服点钢阻尼器后进行振动台对比试验。通过两个结构在不同地震工况下的动力响应验证了弯曲型低屈服点钢阻尼器优良的抗震性能,能够在地震荷载作用下通过自身的塑性变形进行耗能,有效地保护了主体结构。
  (2)在材性试验和振动台试验的基础上,使用有限元分析软件SAP2000对两个结构进行模拟,使用壳单元并结合材性试验所得的本构关系建立阻尼器数值模型,选用与试验相同的地震波对模型进行时程分析,有限元模型分析结果与试验结果基本相同。
  (3)在已有研究的基础上,运用力学知识提出了弯曲型低屈服点钢阻尼器的设计公式,并根据基于性能的设计标准设计出了四种不同尺寸的弯曲型低屈服点钢阻尼器,用以满足在不同条件下建筑结构对阻尼器抗震性能的需求。利用有限元软件ABAQUS对阻尼器的单肢耗能元件进行模拟,结果表明:基于性能的设计标准所设计出的阻尼器能够达到相应的目标要求,耗能性能良好,滞回曲线饱满,没有出现捏缩现象。
  (4)对基于性能化设计出的阻尼器进行进一步分析,使用工程软件PKPM与有限元软件SAP2000建立出完整的10层钢结构模型,确定结构构件的截面尺寸与设计荷载,并取其中一榀布置基于性能化设计的阻尼器,得到四种不同的附加低屈服点钢阻尼器钢框架结构。对这四个模型进行均布荷载与倒三角荷载作用下的静力非线性Pushover分析,结果表明:基于性能1设计的阻尼器在三种地震工况下仍处于弹性阶段,阻尼器能够实现重复使用的功能;基于性能2设计的阻尼器在大震工况下处于弹塑性临界状态,震后阻尼器会产生轻微变形,但是不影响继续使用;基于性能5设计的阻尼器在大震作用下已经进入弹塑性阶段,阻尼器耗能能力增强,在条件允许的情况下,震后建议更换阻尼器;基于性能7设计的阻尼器在大震工况下完全进入塑性状态,阻尼器的耗能能力达到最强,材料的利用率也达到了最高,但是震后需立即更换阻尼器。
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