新型黏滞阻尼伸臂桁架系统动力加载试验及减震性能分析

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诸多针对超高层建筑的减震技术中,黏滞阻尼伸臂桁架因能较好地满足需求,近几年得以广泛地应用。黏滞阻尼伸臂桁架通常与结构的设备层和避难层结合设置,减震层的布置位置和数量将受到限制,从而影响黏滞阻尼伸臂桁架对结构的减震效果。此外,在高烈度抗震设防区,随着结构高度的增加,采用黏滞阻尼伸臂桁架往往需要增大阻尼系数或增设多道阻尼伸臂桁架才能满足减震设计要求。为了提高黏滞阻尼器的耗能效率,在黏滞阻尼伸臂桁架研究的基础上,结合建筑空间提出了一种以杠杆原理为基础的黏滞阻尼伸臂桁架位移放大装置(简称新型黏滞阻尼伸臂桁架)。本文以某超高层框架-核心筒结构为例,设计并制作了传统黏滞阻尼伸臂桁架及新型黏滞阻尼伸臂桁架子结构试件,并对其开展了动力循环加载试验。利用数值模拟分析方法研究新型黏滞阻尼伸臂桁架在超高层结构中的减震性能,并针对影响其耗能效率的参数(阻尼器参数和杆杆率)进行了分析。主要研究内容如下:(1)阐述新型黏滞阻尼伸臂桁架的构造和变形放大机理,推导了黏滞阻尼器位移放大系数及其耗能能力的计算公式。以某超高层原型结构为研究对象,初步探讨了新型黏滞阻尼伸臂桁架超高层结构的可行性;选取模型中的减震层,采用1:4的缩尺比,设计并制作了传统黏滞阻尼伸臂桁架子结构和新型黏滞阻尼伸臂桁架子结构试件;针对速度型黏滞阻尼器的特点,制定了试件的动力循环加载制度,用以测试其动力滞回性能。(2)分别对传统黏滞阻尼伸臂桁架和新型黏滞阻尼伸臂桁架试件进行不同位移幅值和荷载频率下的动力循环加载试验。分析两种黏滞阻尼伸臂桁架试件的荷载-位移关系曲线及阻尼器滞回曲线在不同位移和频率下的变化规律;对不同位移和频率下两种黏滞阻尼伸臂桁架试件及阻尼器耗能比值的变化规律进行分析,证明了T型杠杆装置可提升阻尼器的耗能;对比传统黏滞阻尼伸臂桁架,分析在不同工况下T型杠杆装置阻尼器放大效果的变化规律,包括阻尼器正负向位移放大和出力放大。分析结果表明:新型黏滞阻尼伸臂桁架可使阻尼器两端的相对位移放大,提升其产生的阻尼力,放大系数随位移和频率而变化。(3)通过ETABS和PERFORM-3D有限元软件建立了传统黏滞阻尼伸臂桁架和新型黏滞阻尼伸臂桁架的超高层结构模型,研究不同地震作用下新型黏滞阻尼伸臂桁架结构的减震性能。结果表明:设置新型黏滞阻尼伸臂桁架的超高层结构具有更好的减震效果,新型黏滞阻尼伸臂桁架可通过增大阻尼器的工作位移获得更高的耗能效率,新型黏滞阻尼伸臂桁架与传统黏滞阻尼伸臂桁架的阻尼器耗能和位移放大系数的比值约等于杠杆率。(4)针对影响新型黏滞阻尼伸臂桁架耗能效率的主要参数(阻尼系数和阻尼指数)进行研究,通过分析结构的倾覆力矩减幅、层间剪力减幅、最大层间位移角减幅、附加阻尼比减幅和黏滞阻尼器工作状态的变化规律,从而确定最优的阻尼系数和阻尼指数区间。结果表明:随着杠杆率的增大,新型黏滞阻尼伸臂桁架结构能较大程度降低阻尼系数达到减震设计要求,其最优阻尼系数可通过黏滞阻尼伸臂桁架结构的最优阻尼系数进行换算;阻尼指数越小,结构取得的减震效果越好,建议阻尼指数的取值为0.2~0.4。
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