钢剪切板开孔阻尼器性能分析、试验与优化设计

摘要

连梁是联肢剪力墙结构体系的重要组成构件，用以连接墙肢以增强剪力墙整体抗倾覆能力，可在地震作用时率先屈服进行耗能，一定程度上保护墙肢安全。为便于连梁震后功能修复且可更换，近年来学者们针对连梁设计出了多种多样的阻尼器，其中多数因加工与制造工艺复杂使其应用受限。基于此考虑，本文以设计构型简单、耗能性能优越的钢剪切板阻尼器为基础，提出并对比了四种形式简单的阻尼器构型，即上下椭圆开孔、中心椭圆开孔、单列开孔、双列开孔;针对上述开孔形式分别开展了有限元数值模拟、循环往复滞回试验、疲劳性能试验等，并借助Kriging代理模型与红外热像等方法研究了四种阻尼器的力学性能，得到较优的阻尼器构型;最后基于该构型形成截断式连梁阻尼器，附加其至高层双肢剪力墙结构中进行弹塑性时程响应分析。经本文研究，主要内容分为以下几个方面:
　　(1)提出了四类不同开孔形式的钢剪切板阻尼器。通过有限元数值模拟往复加载分析，研究了每个系列中四种开孔率阻尼器的应力分布情况，揭示了各系列阻尼器开孔率与其屈服剪力、耗能能力的衰减关系，为钢剪切板开孔阻尼器的最优选型提供一定的依据。
　　(2)开展了四类不同开孔形式与开孔率的钢剪切板阻尼器低周往复加载试验。考虑阻尼器开孔形式与开孔率的影响，通过试验数据分析了各类阻尼器滞回性能、强度退化、刚度退化、延性、耗能性能等，以研究其力学特征与抗震性能，并初步确定了阻尼器的较优选型。
　　(3)基于Kriging代理模型开展了钢剪切板开孔阻尼器的优化设计。分析了四类阻尼器等用料情况下其开孔尺寸对耗能指标的影响及其规律，并经优化得到具有较优开孔形式的钢剪切板阻尼器;引入Kriging代理模型构建开孔尺寸与耗能指标的规律，结合最大化期望提高加点准则与SCE智能优化算法，提高了代理模型的代理精确性与整体优化设计效率。
　　(4)引入红外热像法发展了钢剪切板开孔阻尼器能量分布与耗散的定量分析方法。通过记录加载试验中热能、热耗散、塑性损伤能量之间的关系，借助能量守恒定律，结合红外热像仪对阻尼器在循环载荷下的温度变化规律进行实时记录，评估各能量占比，发展金属阻尼器能量分布与耗散的定量计算方法。
　　(5)应用优化的钢剪切板开孔阻尼器开展了高层双肢剪力墙结构弹塑性时程响应分析。经试验数据拟合发展了开孔矩形钢剪切板阻尼器参数计算公式，结合既有研究得到该类阻尼器的设计方法;选取了一幢典型钢筋混凝土双肢剪力墙结构，在连梁截断处附加阻尼器后开展了动力弹塑性时程响应分析，研究了安装阻尼器前后结构在位移、层间位移角、基底剪力及地震失效模式等方面的差异性，进而评估了阻尼器设计理论，探讨了连梁截断式开孔阻尼器在高层结构中的适用性。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 钢剪切板阻尼器开孔形式及有限元数值模拟分析

2．3 钢剪切板阻尼器有限元数值模拟分析

2．3．2 钢剪切板开孔阻尼器数值模拟分析

2．4 小结

3 钢剪切板开孔阻尼器力学性能试验研究

3．2．2 钢剪切板开孔阻尼器试验加载设备

3．3 钢剪切板开孔阻尼器试验结果分析与性能评估

3．3．2 竖向荷载-剪切位移滞回性能分析

3．3．3 剪切板强度与刚度退化分析

3．3．4 阻尼器等效粘滞阻尼系数

3．3．5 阻尼器滞回耗能分析

3．3．6 钢剪切板开孔阻尼器疲劳性能分析

3．4 小结

4 基于代理模型的钢剪切板开孔阻尼器优化设计

4．2 SCE优化方法

4．3 Kriging代理模型

4．3．1 Kriging代理模型的建立

4．3．2 Kriging代理模型的更新

4．4 钢剪切板开孔阻尼器优化设计

4．4．1 钢剪切板开孔阻尼器优化问题的建立

4．4．2 代理模型与优化算法的结合过程

4．4．3 钢剪切板开孔阻尼器优化结果分析

4．5 小结

5 基于红外热像试验的钢剪切板开孔阻尼器性能分析

5．2．1 能量守恒定律

5．3 红外热像法

5．4 基于红外热像法的钢剪切板开孔阻尼器耗能定量分析

5．4．2 实时温度场测试

5．4．3 试验结果分析

5．5 小结

6 附加钢剪切板开孔阻尼器的双肢剪力墙结构动力响应分析

6．2．1 钢剪切板未开孔阻尼器本设计方法

6．2．2 钢剪切板开孔阻尼器设计方法

6．3 附加钢剪切板开孔阻尼器结构的有限元数值模型

6．3．2 双肢剪力墙结构有限元数值模型

6．4 附加钢剪切板开孔阻尼器结构的弹塑性时程响应分析

6．4．2 地震动选取

6．4．3 罕遇地震作用下结构弹塑性时程响应分析

6．4．4 罕遇地震作用下结构地震失效模式分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．2 创新点

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介