新型旋转放大式黏弹性阻尼器研发及减震性能研究

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土木工程结构振动控制是提高结构抗震性能的有效手段,基于被动控制的黏弹性阻尼器是一种高效的耗能减震元件,被广泛应用于建筑物的抗震设计和加固改造中,其工作原理是通过黏弹性材料的剪切变形,耗散外荷载输入到结构中的能量,达到保障结构安全性的目的。建筑结构的梁柱节点是核心部位也是薄弱环节,在外荷载作用下易遭到破坏,从而威胁结构的整体稳定性。然而在外荷载作用下,梁柱节点处产生的转角变形一般较小,传统的节点阻尼器难以发挥理想的耗能减震效果。基于此,本文对一种新型旋转放大式黏弹性阻尼器进行了系统研究,该阻尼器利用杠杆原理将梁柱节点处相对较小的转角变形成倍放大,进而增大了黏弹性材料的剪切变形和滞回耗能,达到更理想的耗能减震效果。本文开展了试验、理论模型及减震性能相关研究,主要工作包括:(1)橡胶材料广泛应用于黏弹性阻尼器中,而材料自身的力学性能直接影响阻尼器的耗能减震效果,通过单轴拉伸试验和剪切试验探究了高阻尼丁基橡胶的拉伸强度等质量指标;将其作为黏弹性耗能材料,制作了板式橡胶阻尼器。对该阻尼器进行不同工况下的循环加载试验,分析了其滞回曲线、各力学性能指标随加载频率和剪切变形的变化规律,并进行了不同剪切变形幅值下的疲劳性能试验。采用Maxwell模型拟合了该阻尼器的滞回性能,模拟结果与试验结果吻合程度良好,验证了该力学模型的准确性。(2)针对框架结构节点的破坏机理,加工制作了新型旋转放大式黏弹性阻尼器的实物模型,介绍了其基本构造及工作原理。对该阻尼器进行了频率相关性、变形相关性以及疲劳性能试验,得到的滞回曲线光滑饱满、对称稳定,并探究了不同工况下每循环耗能等力学性能指标的变化规律。同时,与相同工况下传统无放大功能转角阻尼器的力学性能进行了对比,证实了该新型阻尼器具备更好的耗能能力。(3)根据新型旋转放大式黏弹性阻尼器和传统无放大功能转角阻尼器的构造特点和试验结果,分别提出了力学模型对两者进行数值模拟。对比了数值模拟与试验的滞回曲线和各力学性能指标,结果表明:滞回曲线均吻合良好、各力学性能指标误差较小,验证了力学模型的可靠性,为阻尼器减震性能研究奠定了基础。(4)为验证该新型旋转放大式黏弹性阻尼器的减震控制效果,基于Open SEES软件,对梁柱节点处安装该新型阻尼器的钢框架结构进行了动力时程分析,并与传统无放大功能转角阻尼器的减震性能进行量化对比,结果显示该新型阻尼器表现出更理想的减震能力。然后进行了阻尼器布设方案比选,分析了六种不同布设位置对结构减震效果的影响。
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