《带组合型阻尼器的可更换连梁》
本文是阻尼器相关学士学位论文范文跟阻尼器和更换和连梁类学士学位论文范文.
摘 要：提出了一種新型可更换连梁,在连梁中部设置O型钢板-黏弹性组合型阻尼器.进行了黏弹性阻尼器、O型钢板阻尼器以及组合型阻尼器的低周反复加载试验,结果表1明组合型阻尼器具有很强的耗能能力和变形能力.提出了带组合型阻尼器的可更换连梁的结构设计方法,并对带该可更换连梁与带传统钢筋混凝土连梁的一个超高层结构在风荷载和地震作用下的反应进行了对比分析.分析结果表1明,在风荷载和小震作用下,黏弹性阻尼器开始耗能,O型钢板阻尼器处于弹性状态;在大震作用下,O型钢板阻尼器屈服,与黏弹性阻尼器共同耗能.组合型阻尼器在风振和不同水准地震作用下均能发挥消能减震作用.带新型可更换连梁的结构具有比传统结构更好的抗风和抗震性能.
关键词：组合型阻尼器;可更换连梁;设计方法;抗震性能
中图分类号：TU375;TU352.1文献标志码：A
ReplaceableCouplingBeamwithCombinedDampers
JIANGHuanjun?,HUANGYoulu,LIKaixuan
（StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）
Abstract：Anewtypeofreplaceablecouplingbeam（RCB）withO-shapedsteelplate-viscoelasticcombineddamperatthemidspanwasproposed.TheO-shapedsteelplatedamper,viscoelasticdamperandcombineddamperweretestedunderlow-cyclicloading.Thetestresultsshowthatthecombineddamperhasstrongenergy-dissipationanddeformationcapacity.ThedesignmethodforthestructureinstalledwithRCBswasproposed.Theresponsesofasuper-tallstructurewithRCBsunderthewindandearthquakeswerecomparedwiththoseofthestructurewithtraditionalRCcouplingbeams.Theresultsshowthat,underthewindandminorearthquake,viscoelasticdampersdissipateenergy,whileO-shapedsteelplatedamperskeepinelasticstate.Undertherareearthquake,O-shapedsteelplatedampersyieldanddissipateenergytogetherwithviscoelasticdamper.Thecombineddampersplaytheroleofdissipatingenergyandreducingtheresponseunderthewindandtheearthquakewithdifferentlevelofintensity.ThestructurewithRCBsexhibitsbetterwindresistanceandearthquakeresistancecapacitythanthetraditionalstructures.
Keywords：combineddamper;replaceablecouplingbeam;designprocedure;seiicperformance
蒋欢军等：带组合型阻尼器的可更换连梁
现阶段我国的抗震设计思想是“小震不坏、中震可修、大震不倒”,这一思想有效地控制了地震中结构的倒塌和人员伤亡,但大量的震害表1明,由于部分主要构件损伤严重,震后修复困难,结构往往只能*重建,造成巨大的经济损失[1-2].从20世纪90年始,基于性能的抗震设计逐渐成为工程抗震的主流方向之一[3],该方法保证建筑在未来可能发生的地震作用下具有预期的抗震性能和安全度.
2009年1月,在美日地震工程第2阶段合作会议上,美日学者首次提出将“可恢复功能城市”作为未来地震工程合作的大方向[4],可恢复功能结构逐渐成为国内外学者的研究热点.连梁作为剪力墙肢之间的连接构件,跨高比常小于2,在地震作用下容易形成X形交叉裂缝,难以实现端部塑性铰耗能从而发生脆性剪切破坏.为此,研究人员提出了可更换连梁的概念,即在连梁中设置可更换消能部件,在地震發生时消耗结构主要的地震能量,保护主体构件不发生破坏[5].若可更换部件在强震中发生破坏,在震后更换方便,则可实现建筑功能的快速恢复.
国内外学者提出了多种形式的可更换连梁.2007年克莱姆森大学的Fortney等[6]提出部分削弱工字钢连梁腹板的厚度,制成可更换连梁保险丝.2009年韩国檀国大学的Chung等[7]提出在钢连梁中部附加一个摩擦阻尼器,通过摩擦阻尼器来增强连梁的耗能能力.进一步研究表1明,将不同耗能机制的耗能部件组合在一起,可以发挥各自的优势从而提升耗能能力.2015年同济大学的朱奇云、吕西林[8]提出了一种新型橡胶-软钢复合耗能器,在小变形状态下,剪切钢板带动黏弹性材料发生剪切变形;在大变形状态下,软钢发生剪切变形耗能.
带金属阻尼器的传统连梁耗能能力强,但在小震和风振作用下阻尼器处于弹性状态,无法起到耗能作用;黏弹性阻尼器在很小的位移下即开始耗能,但抗侧刚度较小,单独使用时耗能能力较弱.因此,本文提出了一种带O型钢板-黏弹性组合型阻尼器的新型可更换连梁,该组合型阻尼器在风振和不同水准地震作用下均能发挥消能减震作用,震后便于拆卸更换.给出了组合型阻尼器的构造形式和力学性能计算公式,并进行了阻尼器的低周反复加载试验,进一步提出了带新型可更换连梁结构的设计方法.通过对带新型可更换连梁与带传统钢筋混凝土连梁的超高层结构在风荷载和地震作用下反应的对比分析,验证结构的抗风和抗震性能.
1 带组合型阻尼器的可更换连梁
1.1 组合型阻尼器组成
组合型阻尼器由一块O形钢板阻尼器和一块黏弹性阻尼器并联而成,通过O型钢板弯曲变形和黏弹性阻尼器剪切变形的耗能机制协同耗能.O形钢板-黏弹性组合型阻尼器的组成和在连梁中的连接形式如图1所示.其中O型钢板阻尼器是将一块钢板弯曲成“O”形并焊接成一体,沿厚度方向在左右两端与外部钢板连接;黏弹性阻尼器是由约束钢板和中间钢板夹着两层黏弹性材料层组成,二者通过高温硫化作用紧密连接,再通过高强螺栓或焊缝连接外部钢板.
O型钢板阻尼器由两块U型钢板通过中部扩大连接板并联而成,连接板属于构造构件,对O型钢板阻尼器力学性能的影响可以忽略不计,因此由对称性对O型钢板阻尼器的半边结构进行分析.U型钢板的平面外变形会受到梁的约束限制,仅在圆弧段发生平面内弯曲变形,根据结构力学中的力法相关知识[9],可得到如下O型钢板阻尼器的主要力学性能计算公式：
K等于,（1）
Fy等于,（2）
uy等于等于.（3）
式中：K、Fy、uy分别为O型钢板阻尼器的初始刚度、屈服承载力和屈服位移;t、w、r、s分别为钢板厚度、钢板宽度、圆弧段半径和平直段长度;σy为钢板弯曲时截面应力;E为材料的弹性模量.
对于黏弹性阻尼器,采用Shen等[10]提出的等效刚度模型,计算公式如下：
Keq等于.（4）
式中：G1为黏弹性材料的储能剪切模量;n、A、t分别为黏弹性材料层数、剪切面积和厚度;Keq为等效刚度.
可更换连梁由三部分组成：中间段为可更换的组合型阻尼器,左、右两段均为型钢混凝土梁.可更换段与左右两段均采用螺栓连接,便于震后更换.
1.2阻尼器试验结果
为研究黏弹性阻尼器、O型钢板阻尼器以及二者并联形成的组合型阻尼器的力学性能和耗能能力,分别对3种阻尼器进行了低周反复加载试验并对试验结果进行分析.
黏弹性阻尼器的剪切面积取为4×104mm2,材料层层数为2层,厚度为16mm,采用应变幅值逐渐增大的正弦循环位移加载方式,试件加载照片和试验得到的滞回曲线如图2所示.从图2中可看出,黏弹性阻尼器在很小的位移下即开始耗能,耗能能力良好.在该设计参数下,当加载至150%剪切应变时,黏弹性阻尼器的最大剪力可达到132kN.
设计一个并联式O型钢板阻尼器,其中单个O型钢板阻尼器的设计参数取为22mm×160mm×150mm×120mm（t×w×r×s）.再将同尺寸参数的黏弹性阻尼器与并联式O型钢板阻尼器组合,形成O型钢板-黏弹性组合型阻尼器.对两种阻尼器在小变形和大变形状态下的耗能性能进行试验研究,现场照片如图3所示.
并联式O型钢板阻尼器试验采用位移控制加载制度,组合型阻尼器试验采用应变幅值逐渐增加的正弦循环位移加载制度,得到的滞回曲线对比如图4所示.从图中可知,当剪切位移较小时,并联式O型钢板阻尼器基本处于弹性状态,没有形成滞回环,而组合型阻尼器由于黏弹性阻尼器在很小的变形下即可耗能,滞回环面积较大,耗能性能良好.
随着加载位移逐渐增大,两种阻尼器的滞回环面积逐渐增大,耗能性能稳定,滞回曲线对比如图5所示.从图中可知,当加载位移达到66mm时,由于组合型阻尼器中的黏弹性材料部分与钢板分离,峰值承载力迅速下降,而此时并联式O型钢板阻尼器仍具有稳定的承载能力和耗能能力.当加载位移达到88mm时,黏弹性材料层与钢板完全脱离,组合型阻尼器的承载能力完全由O型鋼板阻尼器承担,二者的滞回曲线基本重合.
1.3 设计方法
为减轻传统连梁在地震作用下的破坏,实现建筑结构震后可更换、快速修复的要求,可更换连梁的设计要求如下：在风荷载和小震作用下,O形钢板阻尼器处于弹性状态,黏弹性阻尼器工作、耗能;在中震和大震作用下,O型钢板阻尼器屈服,与黏弹性阻尼器共同耗能.
采用组合型阻尼器与传统钢筋混凝土连梁等强度的设计原则.对传统钢筋混凝土连梁,当采用对称配筋且无斜筋时,其正截面抗弯及抗剪承载力按下列公式计算[11]：
Mc等于fyAs（H0-a′
s）,（5）
Vc1≤（0.38ftbh0+0.9fyvh0）,（6）
Vc2≤（0.2βcfcbh0）.（7）
式中：Mc为截面抗弯承载力;Vc1、Vc2为截面抗剪承载力;γRE为钢筋混凝土构件承载力抗震调整系数,梁受弯、受剪时分别取为0.75、0.85;fy、fyv分别为纵筋和箍筋的抗拉强度设计值;ft、fc分别为混凝土轴心抗拉、抗压强度设计值;As为单侧受拉纵向钢筋截面面积;a′
s为受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离;h0为截面有效高度;b为截面宽度;Asv为箍筋截面面积;s为箍筋间距;βc为混凝土强度影响系数,当混凝土强度等级不超过C50时取1.0.
可更换段中组合型阻尼器的抗剪承载力设计值应满足式（8）要求.
Vc等于2VOSD+VVSD≥min（2Mc/L,Vc1,Vc2）.（8）
式中：VOSD为O型钢板阻尼器的抗剪承载力;VVSD为黏弹性阻尼器的抗剪承载力;L为传统钢筋混凝土连梁长度.
O型钢板阻尼器屈服后刚度较小,而黏弹性阻尼器在150%剪切应变内的刚度变化不大.基于阻尼器试验得到的峰值剪力计算结果,给出黏弹性阻尼器的抗剪承载力占截面总剪力的1/3～1/2,其余剪力由O型钢板阻尼器承担.
组合型阻尼器的抗剪刚度相比传统钢筋混凝土连梁的刚度较小,在确定组合型阻尼器的设计参数后需验算结构在多遇地震下的层间位移角是否满足规范限值要求.
对于连梁的可更换段长度,涉及到墙肢与连梁的转动能力及可更换段自身的变形能力.可更换段竖向位移可按式（9）计算.
d等于Lfγ等于Lwallθ.（9）
式中：d、Lf分别为可更换段竖向位移和长度;Lwall为联肢剪力墙墙肢形心之间的距离;γ为可更换段转角;θ为结构层间位移角.
为保证组合型阻尼器满足设计目标,O型钢板阻尼器和黏弹性阻尼器需分别满足下式要求：
Lwallθe<uy等于d<Lwallθp,（10）
dmax等于Lwallθp≤2t.（11）
式中：θe、θp分别为结构的弹性和弹塑性层间位移角限值;t为黏弹性材料层厚度;uy为O型钢板阻尼器的屈服位移.
1.4 设计流程
实际工程中,对于设置可更换连梁的位置确定是十分重要的,最直接的方法是通过结构的弹性反应谱分析确定内力较大的连梁进行替换.一般在高层建筑中,结构总高度1/3位置处连梁的内力最大[12],往往容易超筋,可设计为可更换连梁.带组合型阻尼器的新型可更换连梁的基本设计步骤如下：
3.2地震时程分析结果
3.2.1層间位移角
表14列出了两个结构在多遇地震和罕遇地震作用下最大层间位移角的对比结果.整体而言,在多遇地震作用下,NBM的最大层间位移角大于CBM,主要原因在于可更换连梁的刚度小于普通钢筋混凝土连梁,NBM的抗侧刚度小于CBM,两个结构的平均层间位移角均满足规范限值1/549的要求.NBM的最大层间位移角增加不多,平均增大2%.
在罕遇地震作用下,整体而言,NBM的最大层间位移角小于CBM,特别是在ELC270波、H-EI0050波和T*000波作用下,层间位移角控制效果显著.NBM的最大层间位移角平均比CBM减小10%.此时NBM的平均层间位移角满足规范限值1/100的要求.
3.2.2阻尼器耗能性能
限于篇幅,以NBM第15层的外墙连梁为例,分析其在多遇地震和罕遇地震作用下设置的O型钢板和黏弹性阻尼器在T*000波作用下的滞回曲线,如图9、图10所示.
在多遇地震作用下,O型钢板阻尼器荷载-位移曲线为直线,钢板未发生屈服,处于弹性状态,刚度较大.黏弹性阻尼器滞回曲线饱满,呈典型的椭圆形状,在很小的位移下即开始耗能.
在罕遇地震作用下,O型钢板阻尼器进入塑性耗能,滞回曲线近似为平行四边形,耗能性能稳定,屈服后刚度较小.黏弹性阻尼器滞回曲线饱满,继续发挥耗能能力,减小了主体结构消耗的地震能量,从而更好地保护了主体结构.
（a）O型钢板阻尼器
（b）黏弹性阻尼器
3.2.3损伤情况
在罕遇地震作用下,NBM的剪力墙损伤明显小于CBM,尤其是在ELC270波、H-EI0050波和T*000波作用下,可更换连梁充分发挥耗能性能,减轻主体结构的损伤.图11所示为在地震波T*000作用下,NBM和CBM的剪力墙混凝土损伤情况对比,不同颜色代表1了剪力墙混凝土出现的最大应变与混凝土极限压应变的比值.可以看出NBM底部剪力墙墙肢的损伤相对较大,出现受压损伤的剪力墙墙肢分布楼层较CBM大体不变,但损伤水平有明显降低.
3.3风荷载响应分析
本算例结构高226.5m,需按规范要求进行风荷载作用下的舒适度验算.Perform-3D软件中无法直接定义风荷载,因此需要对风荷载作用进行等效模拟.具体的方法是根据外立面风荷载体型系数将Benchmark模型分为5段,将每一段的风压时程乘以受风面积等效成为均匀分布在该段的节点力的时程,再通过定义节点力的时程实现风荷载的施加.
结构每一段的风压时程来源于相应的风速时程,对于任意一点的风速时程,一般包括平均风和脉动风两个部分.首先计算结构各段代表1点的平均风速,再根据李杰等[16]提出的脉动风速随机Fourier谱模型生成脉动风速时程,将二者叠加后得到各点的风速时程.《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中给出了风压ω和风速v的换算公式：
ω等于ρv2.（12）
式中：ρ为空气密度.
3.3.1阻尼器滞回曲线
仍以NBM第15层外墙连梁为例,分析其在风荷载作用下O型钢板和黏弹性阻尼器的滞回曲线,如图12所示.可看出,在风荷载作用下O型钢板阻尼器荷载-位移曲线保持直线,处于弹性状态;黏弹性阻尼器在较小的位移下即开始耗能,滞回环面积不断增大,在风荷载作用下呈现出良好的耗能性能.
3.3.2加速度反应
两个结构两个方向各层的加速度峰值反应如图13所示.从图中可看出,相比CBM,NBM在X和Y两个方向多数楼层的加速度峰值有明显降低.
两个结构顶层的加速度时程如图14所示,X方向和Y方向最大值分别减小10%和16%.两个结构均满足规范限值0.15m/s2的要求.
4结论
本文提出了一种带O型钢板-黏弹性组合型阻尼器的可更换连梁,对组合型阻尼器进行了低周反复加载试验,建立了带可更换连梁结构的设计方法并进行了算例分析.通过上述研究,可获得如下主要结论：
1）试验结果表1明,黏弹性阻尼器在很小的位移下即开始耗能,耗能性能良好.并联式O型钢板阻尼器在位移较小时没有形成滞回环,在大变形状态下耗能性能稳定.组合型阻尼器将O型钢板阻尼器和黏弹性阻尼器的优点结合,在风振和不同水准地震作用下均能发挥消能减震作用.
2）提出的带O型钢板-黏弹性组合型阻尼器的
可更换连梁设计方法是基于强度等效的原则.带组合型阻尼器的可更换连梁相比于传统混凝土连梁刚度较小,因此将部分传统连梁替换成可更换连梁后,结构的整体刚度会有所下降.
3）在多遇地震作用下,O型钢板阻尼器处于弹
性状态,黏弹性阻尼器开始耗能,NBM的层间位移角略大于CBM.在罕遇地震作用下,O型钢板阻尼器屈服与黏弹性阻尼器协同耗能,NBM的层间位移角和剪力墙损伤明显小于CBM.在风荷载作用下,O型钢板阻尼器始终保持弹性,黏弹性阻尼器在很小的位移下即开始耗能.相比CBM,NBM的多数楼层的加速度反应有明显降低.
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本文总结:上述文章是关于经典阻尼器专业范文可作为阻尼器和更换和连梁方面的大学硕士与本科毕业论文阻尼器论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献.
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[2] 阻尼器和abaqus毕业论文的格式范文 阻尼器和abaqus专升本论文范文2万字
[3] 阻尼器和斜拉桥毕业论文格式范文 阻尼器和斜拉桥有关在职毕业论文范文8000字
