抑制屈曲剪切板阻尼器及其减震结构耗能配比优化设计方法

The web plate of traditional shear panel dampers usually occur out-of-plane buckling when they undertake shear force. As a result, the ductility and the energy dissipation capacity of the dampers descend. The out-of-plane stability can be improved by welding stiffeners on the web plate. However, this method decreases the fatigue property of the dampers due to the residual stress. To overcome those shortcomings, a so-called buckling restrained shear panel damper (BRSPD), whose web plate is surrounded by an outer encasing member, was proposed. The encasing member can provide lateral support to the web plate, which improve the energy dissipation capacity and fatigue property. To fully understand the mechanism, design method, and energy dissipation capacity of the new damper, following work will be carried out in this project. Firstly, by using a micro model approach, the rate-dependent hysteretic model and the fatigue design criterion of the BRSPDs will be established based on the fractional derivative model and the fatigue model of the low-yield-strength steel. Secondly, an optimal design method for BRSPDs will be proposed based on the mechanism and failure modes of the damper. Thirdly, the specimens of BRSPDs will be tested to study the influence of various parameters on their performance, and to verify the mechanism and the design method of the damper. Fourthly, an optimal design method of the steel frame installed with BRSPDs will be proposed based on the analysis of the energy distribution between the dampers and the frame. Finally, shaking table tests will be performed to evaluate the seismic performance of the structure, and to verify the effectiveness of the design method. This project is meaningful for understanding and application of structural passive energy dissipation technology.

传统剪切板阻尼器易发生平面外屈曲，导致其延性和耗能能力降低；在腹板焊接加劲肋虽可提高平面外稳定性，但引起疲劳寿命降低。针对难以兼顾腹板稳定性和良好低周疲劳性能的问题，提出了剪切型抑制屈曲剪切板阻尼器，通过腹板外侧夹板约束其平面外屈曲，保证了良好的耗能能力，且不影响其疲劳性能。为深入了解这种新型阻尼器的工作机理、设计方法及减震效果，本项目研究以下内容：（1）基于材料分数阶本构模型和疲劳模型，采用微观模型方法，分别建立阻尼器的率相关滞回模型和基于能量的疲劳准则；（2）分析阻尼器工作机理，根据失效模式，建立其优化设计理论；（3）通过试验分析阻尼器性能影响因素及规律，验证机理模型和设计理论；（4）基于能量分配原理，建立装有阻尼器结构的优化设计方法；（5）通过振动台试验评价其抗震性能，以验证设计理论。本项目对耗能减震技术的深入研究和推广应用具有重要的现实意义和理论价值。

传统剪切板阻尼器易发生平面外屈曲，焊接加劲肋虽可改善其平面外稳定性，但会引起突发的脆性破坏，降低阻尼器的疲劳性能。为了解决难以兼顾腹板稳定性和良好低周疲劳性能的问题，开发了抑制屈曲剪切板阻尼器（BRSPD），并研究其工作机理和耗能性能，之后将其应用于结构并提出结构设计方法、探究其耗能减震结构的抗震性能。主要研究成果包括：（1）在分析抑制屈曲剪切板阻尼器的宏观力学参数和工作过程的基础上，建立了阻尼器恢复力模型、约束单元计算模型和阻尼器的低周疲劳模型，提出了与性能目标相匹配的耗能单元、约束单元和翼缘的设计方法，以保证阻尼器有良好的耗能性能和低周疲劳性能。（2）对抑制屈曲剪切板阻尼器进行了拟静力试验研究，结果表明设计合理的抑制屈曲剪切板阻尼器可以有效约束耗能板的屈曲幅值，使屈曲波由低阶向高阶发展，从而使阻尼器具有良好的滞回性能和低周疲劳性能。八边形约束板可以有效防止在侧移过程中约束板与连接板相互碰撞，使抑制屈曲剪切板阻尼器具有很好的延性，当约束板厚度过小时，不能提供足够的刚度约束腹板的平面外屈曲变形，且腹板与约束板之间添加橡胶和油脂不会减小腹板与约束板之间的摩擦力，对阻尼器的滞回性能基本无影响。（3）对抑制屈曲剪切板阻尼器的摇摆桁架—钢框架结构，使用分布式参数模型探求结构体系的侧向位移分布形式，通过等能量原理推导该结构体系位移延性系数与等效阻尼比的关系，对该体系提出了基于最优强度比的设计方法，从而保证结构体系获得最优的耗能性能。分析表明，采用最优强度比的结构体系对于减弱地震动输入能量及提升结构体系耗能减震能力方面表现突出。（4）通过有限元模型分析了抑制屈曲剪切板阻尼器摇摆桁架-钢框架结构在地震作用下的性能，对比了受控摇摆体系与无控摇摆体系的抗震性能，结果显示受控结构改变了普通抗弯框架的破坏模式，实现了以一阶模态为主的侧向位移模式及整体屈服机制的破坏模式。对于结构体系的最大层间位移角、位移延性系数以及能量耗散性能等抗震指标的提升较明显。