高效耗能摩擦阻尼钢筋混凝土框架结构减震性能分析

研究了高效耗能摩擦阻尼器的减震机理。利用力学原理,分析了地震作用下高效耗能摩擦阻尼器的摩擦阻尼力放大系数变化规律,推导了设置高效耗能摩擦阻尼器结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上,对分别设置传统摩擦阻尼器和高效耗能摩擦阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,结果表明,高效耗能摩擦阻尼器通过将较小的摩擦阻尼力放大可以显著降低结构地震反应,减震效果良好;利用本文给出的等效阻尼比分析得出结构顶层位移反应幅值,与阻尼等效前相应值误差不超过10%。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析Calculation of vibration equation and analysis of seismic response for damping energy dissipation frame structure

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

带支撑黏弹性阻尼器框架减震性能分析

对带有支撑黏弹性阻尼器耗能框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究了阻尼器的支撑系数ψ、松弛时间系数η对结构地震响应的影响,分析了带支撑黏弹性阻尼器在结构各楼层均匀布置时结构的地震作用及结构各振型的底部剪力。结果表明:支撑系数ψ超过一定数值时,阻尼器支撑对结构的地震反应影响很小;框架结构中带支撑的黏弹性阻尼器宜合理控制松弛时间系数η,使其不大于0.5。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的等效阻尼

利用积分型本构关系,建立了带支撑的一般粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构的微分-积分混合地震响应方程;基于与随机平均分析完全相同的等效准则,推导了可直接应用反应谱的阻尼器的等效刚度和等效阻尼的解析公式;得到了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器的等效刚度和等效阻尼的一般结果。通过与一些典型问题的数值计算结果比较,表明了所提方法的有效性。     

套索式黏滞阻尼器位移放大系数的理论和实验研究

考虑了支撑杆弹性变形的影响,提出了精确计算套索式黏滞阻尼器位移放大系数的方法;借助SAP2000分析软件,研究了套索式黏滞阻尼器在不同工况下放大系数的变化情况,并通过试验对理论分析和模拟结果进行了验证。研究结果表明:套索式黏滞阻尼器的实际位移放大系数小于刚性理论计算值,支撑杆的弹性变形应予以考虑;在其他条件一定的情况下,位移放大系数随加载频率的增大而减小。本文提出的方法考虑了支撑杆件的刚度,能够更加合理地计算套索式黏滞阻尼器的位移放大系数。     

设置粘弹性阻尼耗能框架结构减震性能分析

研究粘弹性阻尼器对框架结构的减震性能,分析该阻尼器的阻尼参数对框架结构地震反应的影响,给出设置阻尼器后结构地震作用的计算方法。对设置粘弹性阻尼器框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究阻尼器的阻尼系数C_d和松弛时间系数η等对结构地震响应的影响。在此基础上,提出粘弹性阻尼器的阻尼系数在各楼层经济分布的实用计算公式,并对设置粘弹性阻尼器框架结构地震作用给出计算方法,分析结构各楼层的地震作用及结构各振型的底部剪力。研究表明,设置于框架结构的粘弹性阻尼器宜控制其松弛时间系数η≤0.5～0.7。     

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

SMA阻尼器在土木结构被动控制中的运用

首先确立了SMA耗能阻尼器的力学模型，以Brinson本构关系为理论依据，基于热力学第一定律建立了耗能阻尼器的热力学非线性方程；然后，建立了在耗能阻尼器作用下的框架结构动力学非线性平衡方程及其求解方法；最后，利用文章编写的仿真软件分别对耗能阻尼器的阻尼特性和框架结构的动力响应进行了实例仿真模拟。结果表明，SMA耗能阻尼器具有明显的阻尼特性；对于结构在地震作用下的动力响应具有明显的抑制效果，结构顶层位移、速度峰值衰减率达50～60％；仿真结果与其他学者的试验结果吻合较好，表明文中所述方法的正确性与适用性。     

线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析与优化

振动方程阻尼矩阵对于布置了阻尼器框架结构的振型不再具有正交性,传统的振型解耦法已不再适合于该振动方程的求解。本文采用状态方程直接积分法,研究了线性粘滞阻尼耗能框架结构的地震响应,并与SAP2000有限元软件的分析结果进行了对比,两者误差在5%以内;本文也探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。结果表明:减震结构布置阻尼器的楼层,其层间位移角减小较显著;但未布置阻尼器的楼层,其层间位移角较大,甚至会出现层间位移角超过传统抗震结构相应值的现象,因此粘滞阻尼器在结构中应连续布置,不宜在结构中间断;当粘滞阻尼器在结构各楼层均匀布置时,结构各楼层最大位移反应相对传统抗震结构降低很多,约为抗震结构的20%~40%,减震效果较显著,但各楼层阻尼系数可根据均匀布置阻尼器的结构层间位移角优化;阻尼系数优化后,结构各楼层层间位移角差别减小,较为均匀。本文最后提出了线性粘滞阻尼耗能结构地震作用的实用计算方法。     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

四种不同约束形式隔板式铅耗能器的试验研究

铅耗能器主要利用金属铅塑性耗能,是一种构造简单、耗能性能优良而又经济的耗能减震元件。本文提出了一种隔板式铅耗能器。根据其构造和耗能原理,设计了四种不同约束形式的耗能元件,并通过EHF-EM电液伺服疲劳试验机进行了低周循环试验,分析了这四种约束形式对隔板式铅耗能器的力学性能与耗能性能的影响,揭示了其耗能机制。研究结果表明:隔板式铅耗能器主要具有屈服位移小、造价低廉、构造简单、工作性能稳定、耗能性能优良的特点,在建筑结构和大型机械减振控制方面具有广泛的应用前景;对比分析表明,其中B型耗能器力学性能尤为优越,耗能能力大且随位移增大刚度增强,同时对结构振动还具有限位功能。     

建筑结构的SMA被动振动控制方法

文章根据Robery K等研制的SMA中心牵引型耗能器的基本原理，设计出一种具有自我保护能力的新型耗能器，并建立了对应的力学模型。在此基础上，利用Brinson相变发展的本构模型从热力学第一定律出发建立了耗能器的热力学平衡方程式，为了探讨耗能器在结构中的被动控制效果，文章以三层单跨框架结构为例建立了结构在耗能器作用下的动力学方程式。最后，文章分别对耗能器与框架结构进行了数值仿真计算。结果表明，耗能器的耗能能力随温度的升高而下降，通过温控器的调节或改变相变温度点，可以使耗能器处于最佳耗能状态；SMA耗能丝材愈短，在相同的耗能器行程下，丝材应变愈大，相变发展愈充分，耗能量愈大，但最大应变不能超过材料的最大可恢复应变；SMA耗能器对结构在地震作用下的动力响应具有较显著的抑制作用，位移的峰值衰减率约50％一70％。     

基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析

工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.      

电流变阻尼器的动态特性实验研究

设计制造了一种多层滑动极板式电流变阻尼器，使用自制的电流变液，采用正弦激励，进行了这种电流变阻尼器的阻尼特性试验。研究了电流变阻尼器的载荷－位移迟滞特性和载荷－速率迟滞特性，同时研究分析了这种电流变阻尼器的周期能耗特性及等效粘性阻尼特性。结果表明，阻尼器的周期能耗量随外加电场强度的增加而增加，外加电场强度越大，阻尼器的等效阻尼系数越大。阻尼器的阻尼特性体现为库仑阻尼和粘性阻尼的组合，其中随外加电场强度可控的主要是库仑阻尼力，而且库仑阻尼力不仅与外加强度有关，也与阻尼器的运动速度有关。该阻尼器系统是一个强非线性系统，极板间电流变液在低剪切应变率时表现为Bingham塑性流体，在高剪切应变率时流变性态比较复杂，导致载荷－速率迟滞环出现多区域闭合现象。     

Rheological–dynamical analogy: Prediction of damping parameters of hysteresis damper

This research aims to predict the damping parameters of hysteresis damper based on an analytical rheological–dynamical (RDA) visco-elasto-plastic solution of one-dimensional longitudinal continuous vibrations of a bar. A visco-elasto-plastic bar or damper is an energy dissipation device. An attempt is made to estimate quantitatively the influence of material physical parameters of materials on the damping ratio in both the linear visco-elastic analysis and the nonlinear visco-elasto-plastic analysis of damper subjected to external vibration forces. Two types of damping are considered: viscous damping in the case of linear analysis, defined as stiffness and/or mass proportional and, in the case of nonlinear analysis, hysteresis damping caused by inelastic deformations of damper. Owing to the visco-elastic nature of the materials of the damper and the frequency dependence of the viscous damping ratio ξ, it is useful to consider separately the situations arising when ξ is positive (the system is stable) and when it is negative. A negative damping ratio means that the complementary solution of the response would not die away (the system is unstable because of factor e^{ξ · ω · t}). In the case of nonlinear analysis, the force–displacement relation is nonlinear, so it is very difficult to predict the actual damping and stiffness coefficients, even if the force–displacement characteristic is simply perfect elasto-plastic. Using the RDA method, which takes into account the rate of release of visco-elasto-plastic energy of the dissipation devices; nonlinear behaviors are linearized, enabling to obtain the equivalent damping and stiffness coefficients and the effective period for the damper.     

结构阻尼时域本构模型及其应用

阻尼合金作为一种新型结构功能材料在不少领域已获应用，由于其阻尼值较大且随频率呈复杂交化关系，传统的线性粘性阻尼理论或经典的非频变结构阻尼理论难以精确地描述其耗能行为。本文应用粘弹性阻尼理论，根据阻尼合金储能模量和损耗因子在频域的实测数据．应用最优化方法拟合出标准线性体模型中的本构参数；根据积分形式的三参量本构关系和变形体虚功原理，推导出了有限元形式的动力学方程；讨论了三参数初值的选取；对包含卷积积分的有限元动力学方程通过数学推导将其化为三阶线性微分方程组，再转化为标准状态变量方程，应用数值求解。数值计算实例证明了所提方法的正确和有效性。     

考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。