文摘

本研究旨在评估地震能量吸收能力的滞后钢阻尼器结构的保护。这些类型的钢阻尼器是由低碳钢板具有不同几何形状的部分,即直,凹、凸形状。实验证明所提出的设备的性能增加平面循环荷载下一系列的测试。整体的测试结果表明,该钢阻尼器滞回曲线相似,但标本convex-shaped一边不仅显示稳定的滞回行为也表现出良好的耗能能力和延性系数。此外,这些钢阻尼器的载荷变形关系可以分解成三个部分,即骨架曲线,包辛格,弹性卸载的部分。骨架曲线通常用于获得的主要参数,它描述钢阻尼器的行为,即屈服强度,弹性刚度,postyield刚度比。此外,有效的刚度,有效阻尼比、塑性应变累积能量,累积延性系数也源自于结果。最后,一个近似三线性滞回模型开发基于骨架曲线获得实验结果。

1。介绍

传统的抗震设计概念结构不是为了避免损伤对结构但以确保安全下的人类严重的地震。然而,极强的地震造成的损害可能会导致人类生活的重大经济影响和损失。因此,对于重要或特定用途的建筑,结构设计经验与轻微损坏或弹性响应在它的生命时间是必要的。为了实现这一目标,结构控制系统已经开发出来,纳入结构以减少或降低风和地震引起的损失(1,2]。在这些系统中,被动控制系统,也称为被动能量耗散,是一种廉价的和有效的方法来减少结构变形在地震。被动控制系统吸收能量地震引起的各种机制,如金属屈服、摩擦、流体孔口和粘性固体的弹性变形。

Hyogoken-Nanbu地震后,日本实施被动阻尼器显著增加(3,4]。此外,在其他领域,比如美国、亚洲和欧洲,这些系统的应用,对新建筑或改造,获得了显著的关注(5- - - - - -9]。滞后钢阻尼器是一种被动阻尼器系统,吸收大部分的输入能量诱发地震通过滞回阻尼材料的变形。在过去的20年中,许多创新滞后钢阻尼器提出了能量耗散能力高和测试,比如tada设备(10- - - - - -12],ADAS装置[11,13),蜂窝阻尼器(14),剪切板(15,16],菱形ADAS [17,18],双重功能DFMD [19),狭缝挡板(20.- - - - - -22),屈曲约束支撑(23,24),tube-in-tube阻尼器(25),和圆板阻尼器26]。图1展示了几个滞后钢阻尼器的形状。这些设备通常设计为纳入支撑体系结构框架(图2)。

滞后钢阻尼器基于屈服机制可以分为三种类型,即轴向、剪切和弯曲。ADAS的大作,蜂窝设备、双重职能DFMD低当量的菱形,和狭缝挡板装置属于弯曲屈服类型,而buckling-restrained支撑系统产生通过括号中的产生的轴向力。屈曲约束支撑系统三个部分,即钢铁核心元素承受整个支撑轴向载荷,钢管元素充满了砂浆提供约束,防止钢铁核心屈曲压缩,并允许它在紧张或压缩产量,和无限的材料放置钢芯和砂浆之间最小化之间的摩擦。此外,tube-in-tube Benavent-Climent[提出的阻尼器25)由外和内胎聚集在两个空心部分使用插头和满焊。短的墙外管有一系列条由切墙形成的缝。能量耗散时缝变形inelastically,类似于狭缝挡板。因此,这种阻尼器的组合buckling-restrained撑和狭缝挡板。

弯曲屈服阻尼器假设在循环荷载下,阻尼器的出现同时通过挡板的高度统一,以便维持没有过早断裂的大变形或失稳。然而,考虑到部分狭缝挡板有统一的惯性矩的性质,产生集中在两端剪切力和时刻。这个浓度是特别不受欢迎的,可以吸收的能量和其固有的塑性铰区域缺乏稳定性和可重复性。

此外,ADAS的大作,菱形阻尼通常安装在弱轴方向的弯曲提供能量吸收,而其它阻尼器(蜂窝,双功能DFMD、剪切板和狭缝挡板)吸收的地震输入能量强大的轴的方向。因此,这些阻尼器刚度较高而ADAS或漏掉。

2。客观的研究

弯曲产生的滞后钢阻尼器类型,如蜂窝阻尼器、狭缝挡板,DFMD,安装承受剪力和弯矩在平面弯曲,不是真正的同时在整个板由于板的弯矩能力板宽度的2次方的函数;与此同时,弯矩图大约是线性的。此外,机械特征的信息,如弹性刚度、屈服强度、postyield刚度,对于这种阻尼器滞回模型是有限的。滞回模型是重要的设计抗震建筑配备钢阻尼器。因此,还需要进一步的研究来确定钢阻尼器的几何形状,良好和稳定的能量耗散。在这项研究中,四个钢阻尼器标本由低碳钢板和用特定的几何图形(图制作的3)。钢板是圆的目的,避免应力集中。执行的测试结构实验室的万隆理工学院。测试的目的是确定在四个提出了阻尼器有大量能量吸收能力、稳定的磁滞回线,和足够的刚度。

3所示。实验程序

3.1。标本和加载历史

总共有四个标本与特定几何制造机械实验室的万隆理工学院使用数控机床来获得准确的形状和尺寸。标本被指定为DHSD1、DHSD2 DHSD3, DHSD4。所有这些样本有相同的宽度(210毫米),高度(300毫米),和厚度(20毫米)。它们之间的差异完全位于身体两侧的形状;DHSD1显示闭式,DHSD2凹侧,DHSD3和DHSD4用convex-shaped制作的。DHSD1和DHSD2之间的区别仅仅在于宽度在中间的标本,DHSD3和DHSD4 26毫米和30毫米宽,分别。

标本被焊接在上、下40毫米厚的钢板,形成类似我部分。这两种钢板的设计更厚比标本防止标本时产量达到最大负载或不稳定的条件。四个标本受到位移振幅加载模式(图4)。三个周期重复每个位移振幅从1毫米到20毫米,然后跟着两个周期位移振幅。测试执行,直到彻底失败的标本或当标本显示出平面变形。

3.2。材料特性

标本是由低碳钢板的规格符合JIS-SS400。确定材料的力学特性,三个进行了拉伸测试优惠券(图5和表1测试结果)。所有标本和优惠券测试都是从同一个钢板表以最小化其力学性能的变化。

3.3。测试设置和测量

图6显示了加载设置。强碱帧之间的标本被安装并使用高强度螺栓上加载t形梁的强轴标本应用负载的方向。连接板之间的摩擦力引起的高强度螺栓的预紧力收紧有足够的强度,这样不会滑到标本的连接达到他们最大的优势。800 kN的致动器被用来循环增加负载应用到标本通过t形梁。防止t形梁出平面偏转,横向支承辊提供和连接到t形梁。然而,t形梁可以旋转的上板标本。图7介绍了t形梁之间的连接的照片和样品的上盘,而横向支持系统如图所示8。测试执行,直到彻底失败的标本。标本被定义的故障判据时表面出现裂纹或标本经验平面外变形引起的非弹性屈曲。应用负载的大小是监控使用负载细胞,而侧向位移测量标本和滑动连接部件之间的独立使用四套位移传感器(线性)。1为了线性测量变形的基础支持,而线性2措施之间的滑动底板和基础支持;在测试期间没有发生滑动。三是用来记录绝对位移线性上板的标本。不同的线性测量3和2被假定为线性横向位移的标本。4是用来控制线性致动器的位移。之间没有发生滑动t形梁和上板的标本,因为在线性位移记录3类似于线性4。

4所示。测试结果和讨论

4.1。滞回行为

一般来说,所有的标本在滞回行为没有任何迹象显示类似的功能退化的刚度和强度,除了DHSD-3标本。所有的标本在双曲率变形。四个样本的总体测试结果列在表中2。的最大峰值强度或获得了1.33倍和1.92倍屈服强度之间由于应变硬化,标本DHSD-3除外。此外,积极的峰值强度值和负峰强度值不相等,因为Bauchinger效果;然而,< 5%的差异。标本DHSD-4还显示最高的延性和最高的初始刚度。相比之下,标本DHSD-3显示相应的值最低。测试结果的四个标本在以下部分中进行了讨论和总结。

以下4.4.1。标本DHSD-1

样品测试之前和之后的照片及其滞回曲线如图9。标本产生在小位移和表现出稳定的滞回行为。收益率开始约114 kN作用力。后,测试终止裂纹出现在附近,从试样的顶部高度四分之一,负载持续减少。试验结果表明,试样的几何特征HDSD-1可以用作阻尼器。然而,标本DHSD-1能量吸收能力低于DHSD-4。

4.1.2。标本DHSD-2

图10 ()显示了标本DHSD-2的照片。在测试期间,标本显示轻微的退化在刚度或力量,它也不能维持庞大的位移。当一个水平力达到139 kN,产生启动和测试停止标本显示出平面变形时振幅位移< 33毫米。弯曲的标本扣,因为非弹性屈曲(图10 (b))。这个标本展示了不仅少能量耗散能力而且延性。因此,这个标本是不适合使用的几何作为一个滞回阻尼器。

4.1.3。标本DHSD-3

标本的照片DHSD-3图所示(11日)。磁滞曲线获得测试如图11 (c)。这个标本具有高的初始刚度和能量耗散能力。观察一个初始收益率在179 kN水平力。图11 (b)表明,试样开始经历平面外弯曲变形后测试当振幅等于44毫米。试验终止时振幅增加到48毫米。然而,其整体循环行为优于标本DHSD-2。作者认为,平面外的非弹性屈曲不应该发生因为这个标本与DHSD-4相似的几何形状。这可能是标本经历不仅平面弯曲平面外弯曲由于的平直度在捏造或在安装过程中不可避免的。因此,需要进一步研究来解释这种行为。然而,这个标本的几何形状是好的承诺。

4.1.4。标本DHSD-4

标本的照片DHSD-4图所示12(一个)。这个样品可以维持较大的振幅位移。收益率从135 kN的水平力。测试时终止裂纹发生在该地区略低于样品的顶部。伴随着裂缝的位置区域的最大弯矩发生。实验结果表明,该标本与convex-shaped展品不仅优秀的能源容量,而且高弹性刚度。观察测试后,没有明显的失真和自由的不受欢迎的缩放效果。根据能量耗散能力和累积延性系数,这个标本展示了优越的性能相比其他标本。因此,这个标本的几何形状是强烈推荐。

4.2。能量吸收能力

滞后钢阻尼器的能量吸收能力依赖于加载历史应用(27]。研究这种依赖性,典型的循环荷载下钢材料的应力-应变关系可以分解成三个部分,即骨架,包辛格,弹性卸载(图13)。这种分解是用于描述钢结构的滞回行为,而骨架部分类似于单调加载下的拉伸优惠券试验(应力-应变关系28]。如图13 (b)段0 - 1,5 - 6、11 - 12和17 - 18在积极的加载和部分2 - 3,8 - 9、14日至15日,20日至21日在消极的加载路径中负载水平大于前面的周期相同的域。得到骨架曲线连接这些片段顺序(图13 (c))。其余的曲线分为弹性卸载曲线的斜率接近初始弹性刚度和包辛格曲线。后者由包辛格效应曲线软化。

由钢组件塑料能量消散在每个加载失败,直到可以表示为骨架的总和和包辛格部分如下: 在哪里完全是塑料钢组件的能量耗散,,和总塑料能量耗散在正面和负面两种领域的骨架和Baucshinger部分,分别。方程(1)在标准化形式可以表示如下: 在哪里屈服强度;是屈服位移;相当于累积塑性变形比;和是等价的累积塑性变形比骷髅和Baushinger部分,分别。相当于累积塑性变形比例或能量吸收率也被称为指数参数常用的能源损伤模型(29日]。此外,Benavent-Climent [30.)提出了基于能量损伤模型使用两个参数,即总耗散能量和能源消耗的部分骨架部分。结果发现,该模型可以预测准确程度的损害。

另一个感兴趣的参数被认为是累积延性系数这是定义为 在哪里和明显的累积塑性变形比在积极和消极的骨架部分地区。表3显示了累积延性系数,相当于累积塑性变形比例的标本,骨架曲线和包辛格。一般来说,能源消耗的包辛格是> 80%的塑料的总能量。图14还显示累积的能量耗散和累积位移之间的关系获得四个样本数据的累积能量耗散和位移延性四个标本;标本DHSD-4显示最大的能量耗散能力,而累积延性系数而言,标本DHSD-1几乎等于DHSD-4标本。

4.3。有效的有效刚度和阻尼

分析结构的响应与线性动态过程需要有效刚度和有效阻尼。图15说明了有效刚度的物理意义,可以计算如下:

滞后系统的能量耗散能力通常是由有效的阻尼,而有效的阻尼是displacement-dependent和计算在设计位移,,如下所示(31日]: 在哪里每个周期损耗的能量,从测试和获得等于由封闭的一个完整周期的区域的磁滞回线的力-位移关系。表4提出了有效刚度和有效阻尼计算四个标本的最大位移。有效的阻尼和位移之间的关系在每一个周期如图16。

表5介绍了阻尼系数的函数有效阻尼(FEMA 273)。阻尼系数是用于减少普通光谱响应加速度系数和按照许多建筑规范。平均阻尼比钢阻尼器提供的标本在位移20毫米(假设interstory漂移目标建筑结构保持弹性)> 40%。因此,钢阻尼器的使用可以保护结构应该保持弹性或经历严重的地震激励下轻微损坏。

4.4。近似三线性模型

先前的研究提出钢阻尼器的滞回模型,如双线性模型(32),三线性模型(25),两个表面模型(1],Boug-Wen [33),修改Boug-Wen [18],Ramberg-Osgood [15),根据实验或数值结果。在目前的研究中,采用三线性模型来描述force-deformation关系的发展所涉及的参数的阻尼器由于其简单性和这种类型的模型是可用的商业软件包。图17显示三线性模型的比较和骨架曲线的四个标本,而力学性能近似的三线性模型标本表中列出6。和弹性刚度的比值是第一和第二塑料刚度,分别。

5。结论和未来的研究

5.1。结论

本文提出了一些实验的能量耗散能力产生平面循环荷载作用下钢阻尼器。结论总结如下。(1)所有的标本展览适度位移下稳定的滞回行为;然而,标本DHSD-3显示轻微下降,刚度和强度下大位移由于缺乏稳定性。(2)平均能量消耗Baushinger标本的一部分是> 80%的塑料的总能量。(3)评估的基础上使用的四个指标,即弹性刚度、延性系数、累积延性系数,和能量吸收率,标本DHSD-4证明与其他标本相比性能优越。(4)标本显示> 40%滞后阻尼比下温和的位移,而最大滞后阻尼的比例> 50%是通过标本DHSD-4最大位移。(5)标本的骨架曲线可以使用参数使用三线性模型近似弹性刚度、屈服力,第一和第二postyield刚度。

5.2。未来的研究

本研究调查的滞后钢阻尼器在循环荷载作用下进行了,它将需要进行进一步的研究在以下方面:(1)执行参数研究阻尼器与凸侧获得height-width比率的影响在阻尼器的滞回行为。(2)调查的平直度的影响在阻尼器的滞回行为与各种height-width比和厚度高度或宽度的比例。(3)调查缺乏阻尼器稳定之前开裂发生在最大位移。(4)发达的数学公式在阻尼器的力学特点,尤其是弹性刚度阻尼的三线性滞回模型的应用。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由印度尼西亚的高等教育和大学来华朝贡先后棉兰,印度尼西亚(批准号4267 / UNS.1.R / KEU / 2013)。