【摘 要】
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传统的抗震结构通常是利用结构的塑性变形来消耗地震能量的,但是,结构在经历强震后,会有较大的非弹性变形,存在较大的残余位移,造成结构在震后修复难度大或者结构在震后无法继续正常使用的现象。虽然,将耗能减震装置应用于建筑结构中可以在一定程度上减轻震害,保护主体结构,但是,震后装置残余位移过大,不便于修复、更换装置的问题依旧存在。新近提出的“可恢复性功能结构”为研究和发展建筑结构的抗震方法提供了新思路,自
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传统的抗震结构通常是利用结构的塑性变形来消耗地震能量的,但是,结构在经历强震后,会有较大的非弹性变形,存在较大的残余位移,造成结构在震后修复难度大或者结构在震后无法继续正常使用的现象。虽然,将耗能减震装置应用于建筑结构中可以在一定程度上减轻震害,保护主体结构,但是,震后装置残余位移过大,不便于修复、更换装置的问题依旧存在。新近提出的“可恢复性功能结构”为研究和发展建筑结构的抗震方法提供了新思路,自复位耗能装置也是该体系中的一部分。形状记忆合金作为一种兼具耗能和复位能力的新型智能材料,在自复位耗能装置领域具有良好的前景。目前,国内外学者已研发出大量的SMA自复位耗能装置,但是仅应用SMA作为耗能材料的装置存在耗能能力不足、抗震性能有限的问题;而SMA复合耗能装置又存在构造复杂、不便于安装、更换的问题。在此背景下,本文结合SMA材料和摩擦阻尼器的优点,提出了一种新型SMA自复位复合摩擦耗能装置,并采用数值模拟的方法,对装置的力学性能、减震效果进行了分析。本文的主要研究工作如下:(1)详细介绍了关于SMA的基本特性和本构模型,并应用ABAQUS内嵌的形状记忆合金本构模型模拟了SMA在不同加载幅值、加载速率、截面尺寸下的应力-应变曲线以及SMA丝轴向拉伸后的应力-应变曲线,并与文献中的试验结果进行对比。结果表明,ABAQUS内嵌的形状记忆合金本构模型能够较准确地模拟SMA材料的超弹性本构关系,其数值模拟结果与文献中的试验结果基本吻合。(2)利用SMA的超弹性特性和摩擦装置耗能稳定的特点,设计了一种新型SMA自复位复合摩擦耗能装置,并阐述了其设计思路、基本构造、工作原理及功能特点。(3)对SMA自复位复合摩擦耗能装置进行数值模拟研究。在ABAQUS有限元软件中建立了装置的实体模型,模拟分析了该耗能装置在不同螺栓预紧力、不同位移幅值和不同SMA数量下的滞回性能。结果表明,该装置的滞回曲线饱满,耗能能力稳定;随着螺栓预紧力、位移幅值和SMA丝束数量的增加,耗能能力逐渐增强。(4)对SMA复合摩擦耗能装置进行简化连接单元建模,并在计算精度和计算效率两个方面对实体模型和简化模型两种数值模拟方法进行了对比分析。结果表明,简化模型相比于实体模型,在计算效率和计算成本方面更具优势,同时,其计算结果与实体模型的结果误差相对较小,说明简化模型的拟合效果较好,可以用于结构减震分析。(5)分别在ABAQUS中建立了纯钢框架模型、纯摩擦装置钢框架模型和SMA自复位复合摩擦耗能装置钢框架模型,对该三种模型进行地震作用下的弹塑性时程分析,对比分析SMA自复位复合摩擦耗能装置对钢框架的抗震性能的影响。结果表明,该装置能够有效减小结构的地震响应,并且能够提高结构构件和非结构构件的震后恢复能力。
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