附加放大式摩擦阻尼器的框架结构抗震性能评估

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地震是一种突发的自然现象,长期威胁着人们的生命和财产安全。为了应对地震灾害,目前常用的方法是消能减震,即通过对结构附加消能减震装置,用消能装置与结构共同抵御地震作用,来提高结构的抗震性能。摩擦阻尼器因其结构简单、成本低廉、耗能能力大而被广泛地用于消能减震领域。但是,常用的普通摩擦阻尼器在小震作用下耗能不充分,难以达到预期抗震目标。为更好的发挥摩擦阻尼器作用,确保结构在小震作用下也能有效耗散地震能量,本文基于杠杆原理提出一种放大式摩擦阻尼器(Amplified Friction Damper,AFD)装置,该装置能放大输入的地震响应,充分发挥耗能作用。主要研究工作如下:(1)阐述课题的研究背景、目的及意义,系统总结目前消能减震的研究进展、国内外摩擦尼器的研究现状及放大机制的研究成果,最后提出本文研究内容。(2)杠杆放大式摩擦阻尼器AFD装置的理论分析:详细阐述了AFD装置的组成部件和工作原理,根据装置的受力特点和运动关系,在相关的研究基础上建立装置的恢复力模型,进行滞回耗能、位移、预紧力等相关参数分析。(3)杠杆放大式摩擦阻尼器AFD装置的二次开发及验证:根据ABAQUS提供的二次开发功能,使用FOTRAN语言编制基于隐式算法原理和显式算法原理的UEL、VUEL单元子程序。在MATLAB中编制相应程序与UEL、VUEL单元子程序进行对比,验证ABAQUS单元子程序的正确性。(4)钢框架结构的减震控制效果分析:通过ABAQUS有限元软件建立高层钢框架结构模型,运用YJK对结构模型进行模态分析验证模型建立的合理性。分别对无控、附加普通摩擦阻尼器FD、附加杠杆放大式摩擦阻尼器AFD(AFD-2、AFD-3即放大倍数为2、3的AFD)的结构进行设防地震和罕遇地震下的动力时程分析,对比无控原结构和减震结构的动力反应。分析结果表明,设防地震下,相比无控结构,FD模型的层间位移角最大值平均减震率为20.9%,AFD-2、AFD-3平均减震率为42.5%、52.1%;罕遇地震下,FD模型的层间位移角最大值平均减震率约为24%左右,AFD-2模型与AFD-3模型的平均减震率约为39%与54%。(5)钢框架结构的地震易损性分析:根据场地特征选取合适地震动记录,选用合理的地震强度指标和结构损伤指标,根据规范划分不同等级的结构性能水准,对无控钢框架结构和钢框架减震结构进行基于IDA法的地震易损性分析,从概率统计学的角度计算出结构在不同强度PGA下达到各级极限破坏状态的超越概率,以研究各结构的抗震性能。相比FD模型,AFD-2、AFD-3模型达到各级极限破坏状态的PGA分别提高了26.6%和51.1%,大震抗倒塌安全储备系数CMR分别大约提高了21.3%和38.2%。
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