SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法.pdf
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1、第 56 卷 第 10 期 2023 年 10 月 天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)Vol.56 No.10Oct.2023 收稿日期:2022-05-23;修回日期:2022-07-19.作者简介:芦 燕(1986 ),女,博士,教授.通信作者:芦 燕,.基金项目:国家自然科学基金资助项目(52022067,U1939208,52278199).Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52022
2、067,No.U1939208,No.52278199).DOI:10.11784/tdxbz202205041 SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法芦 燕1,2,3,4,罗奇星3,王明威3,王 月3(1.中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室(天津大学),天津 300350;2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津 300350;3.天津大学建筑工程学院,天津 300350;4.天津大学滨海工业研究院有限公司,天津 300452)摘 要:针对大跨空间结构减震控制问题,采用了一种适用于大跨空间结构的SMA-摩擦阻尼器,该阻尼器将形状记忆合金(sh
3、ape memory alloy,SMA)的超弹性特性与摩擦阻尼器的高耗能特性相结合以天津理工大学体育馆的索穹顶结构为研究对象,通过计算附加模态阻尼比,得到了阻尼器的优先布置位置基于多尺度有限元模型,研究了索穹顶结构的减震性能及 SMA-摩擦阻尼器在地震中的力学性能结果表明:在天津理工大学体育馆索穹顶结构中,阻尼器应优先替换内圈撑杆随着地震动强度由 0.07g 增至 0.40g,阻尼器滑动位移提升,减震性能增强,跨中节点竖向峰值加速度减震率平均值由 11.97%增至 30.35%,跨中节点竖向峰值位移减震率平均值由 27.46%增至37.10%,杆件峰值应力减震率平均值由 8.29%增至 11
4、.55%该索穹顶结构一阶自振频率较低,与长周期地震动的傅里叶幅值集中区域接近,在长周期地震动下会有更大的动力响应,导致阻尼器滑动位移变大,耗能能力增强,结构竖向峰值加速度减震率和杆件峰值应力减震率平均值可达 36.85%和 15.13%,减震效果优于普通地震动最后,对影响阻尼器滞回性能的力学参数高强螺栓预紧力和合金丝数量进行参数化分析,并结合阻尼器在结构中的受力,得到了阻尼器的力学参数设计方法,可供实际设计时参考 关键词:索穹顶结构;SMA-摩擦阻尼器;地震作用;减震分析;多尺度有限元模型 中图分类号:TU352 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2023)10-1078-12 S
5、eismic Performance Analysis and Design Method for the SMA-Friction Damper in Cable Dome Structure Lu Yan1,2,3,4,Luo Qixing3,Wang Mingwei3,Wang Yue3(1.Key Laboratory of Earthquake Engineering Simulation and Seismic Resilience of China Earthquake Administration(Tianjin University),Tianjin 300350,China
6、;2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University),Tianjin 300350,China;3.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;4.Tianjin University Binhai Industrial Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China)Abstract:Aimed at the seis
7、mic control of long-span spatial structures under earthquakes,a shape memory alloy(SMA)-friction damper suitable for long-span spatial structures is adopted,which combines the hyperelastic charac-teristics of SMA materials and high-energy-dissipation characteristics of the friction damper.The prefer
8、ential arrange-ment of the damper is obtained via calculating the additional modal damping ratio,considering the cable dome struc-ture of Tianjin University of Technology Gymnasium as the research object.Based on the multiscale finite element model,the seismic control performance of the cable dome s
9、tructure under different earthquakes and the mechanicalperformance of the SMA-friction damper are analyzed.The results show that for the cable dome structure,the com-pression bars of its inner ring should be preferentially replaced.As the earthquake intensity increases from 0.07g to 0.40g,the slidin
10、g displacement of the damper increases,and the vibration reduction effect is enhanced.The average 2023 年 10 月 芦 燕等:SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法 1079 vibration reduction ratios of vertical peak acceleration of the mid-span node increase from 11.97%to 30.35%,the average vibration reduction ratios of ver
11、tical peak displacement of the mid-span node increase from 27.46%to 37.10%,and the average vibration reduction ratios of the peak compression bar stress increase from 8.29%to 11.55%.The first-order natural vibration frequency of the cable dome structure is low,close to the Fourier amplitude concen-t
12、ration region of long-period ground motions.A greater dynamic response will occur under long-period ground mo-tions,resulting in a larger sliding displacement of the damper and a better energy dissipation capacity.The averagevibration reduction ratios of vertical peak acceleration and peak compressi
13、on bar stress can reach 36.85%and 15.13%,respectively,superior to those under ordinary ground motions.Finally,a parametric analysis is performed on the mechanical parameters affecting the hysteretic performance of the damper,including the pretension of high-strength bolts and the number of alloy wir
14、es.The mechanical parameter design method of the damper is obtained com-bined with the force of the damper in the structure,which can be used as a reference for practical design.Keywords:cable dome structure;SMA-friction damper;seismic effect;vibration reduction analysis;multiscale finite element mo
15、del 形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)作为一种智能材料具有独特的超弹性特性,最初广泛应用于航空航天等尖端领域1 近年来,随着对 SMA 材料力学性能深入研究,SMA 材料在阻尼器中的应用也日益广泛 Silwal 等2设计了一种超弹性黏滞阻尼器(SVD),选取安装 SVD 的 9 层钢框架结构进行数值分析,由于 SMA 材料的超弹性特性,与屈曲约束支撑体系对比,在不同地震动强度下,安装 SVD 的钢框架均具有更小的震后残余变形 薛素铎等3提出了一种 SMA 复合摩擦阻尼器并将其应用于体育场挑篷结构,阻尼器对杆件应力的减震效果在 20%左右 国内外学者在 SMA 阻尼
16、器研发方面取得了许多成果,将 SMA 丝与传统耗能方式相结合的复合阻尼器可以充分发挥两者的优势 但目前 SMA 阻尼器的减震控制研究对象多为框架结构,在大跨空间结构中的应用较少,还需要进一步研究 在大跨空间结构中常见的振动控制主要有以下两种方式:第 1 种是在结构上设置 TMD(tuned mass damper)调谐系统4;第 2 种是在结构上设置阻尼 器5 Motohiko6利用 TMD 系统建立了一个平面杆系结构模型,对比了 TMD 系统布置在不同位置时结构的动力响应,分析结果表明,将 TMD 系统布置在结构主要控制振型振动量最大处时减震效果最好,减震率可达 25%40%范峰等7将黏滞阻
17、尼器引入网壳结构,并进行了振动台试验,设置黏滞阻尼器后的结构响应均有不同程度的降低 此外,为解决大跨空间结构中阻尼器最优替换杆件位置问题,朱礼敏8基于模态应变能百分比,以双层柱面网壳作为算例,确定了阻尼器的最佳布置位置 减震技术能有效地降低大跨空间结构的地震响应,但目前对于大跨空间结构的研究程度远不及多、高层房屋深入和广泛 索穹顶结构是大跨空间结构中一种典型的柔性结构,具有自重轻、造型美观、施工工期短、节省用钢量等优点9 现有大跨空间结构减震性能的研究多集中在网壳和网架等刚性结构中,而索穹顶等柔性结构的阻尼比通常较小,对地震作用等振动荷载更加敏感,导致结构易发生较大的振动 因此,将研究对象进一
18、步扩展到柔性结构是后续的研究方向 且目前对结构减震机理的研究多基于宏观杆系模型,将阻尼器简化为弹簧单元,无法获得阻尼器等减震装置在地震中的实际力学性能 还需要运用多尺度有限元分析方法,得到阻尼器各零部件在地震中的应力,验证其是否处于正常工作状态 基于以上背景,本文对一种 SMA-摩擦阻尼器在索穹顶结构振动控制中的应用进行了研究,得到了其在结构中的优先替换位置,并通过多尺度有限元模型,分析了阻尼器在地震中的力学性能 1 索穹顶结构分析模型 索穹顶结构类型较多,有 Geiger 式、Levy 式、葵花式、凯威特式等多种形式,其中 Geiger 式与 Levy式的索穹顶目前应用最为普遍,本文选取的天
19、津理工大学体育馆索穹顶即为 Geiger 式与 Levy 式复合索穹顶10 屋盖结构长轴为 102m,短轴为 82m,平面投影为椭圆形,周圈为短轴高、长轴低的马鞍形双曲线 该索穹顶结构由 3 圈环索和内、外环梁组成 最外圈撑杆上、下节点与支座由两道斜索和两道脊索连接,最内圈撑杆上、下节点与外圈撑杆节点只有一道斜索和脊索连接 最外圈的环梁为混凝土材质,搭在最外圈支座上,承受环索传来的环向压力,使整个结构成为自平衡体系 图 1 为天津理工大学体育馆索穹顶结构轴测图 撑杆材料为 Q345B,内圈撑杆截面尺寸为 1080 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 159mm5mm
20、,中圈撑杆截面尺寸为 245mm10mm,最外圈撑杆截面为 299mm10mm;内环梁箱型截面为600mm450mm18mm18mm,外环梁采用横截面面积为 7m2的混凝土矩形截面,截面尺寸为 7m1m 拉索为钢绞线构成的高帆索,共有 6 种截面,分别为 60mm、71mm、80mm、99mm、116mm 和 133mm10 通过有限元分析软件 ABAQUS 进行建模,撑杆采用桁架单元(Truss T3D2),内、外环梁采用梁单元(Beam B31),拉索采用桁架单元(Truss T3D2),且定义为只受拉不受压的材料特性 拉索的预应力采用温降法施加,通过对结构下降一定温度产生温度应变,生成温
21、度应力 图 1 天津理工大学体育馆索穹顶结构轴测图 Fig.1 Axonometric drawing of the cable dome structureof Tianjin University of Technology Gymnasium 2 SMA-摩擦阻尼器工作原理及布置位置选取 所采用的 SMA-摩擦阻尼器11构造如图 2 所示,阻尼器由钢管、连接板、摩擦片和法兰等组成 高强螺栓从连接板处插入,用于提供法向压力 由黄铜材料制作的内、外摩擦片分别布于钢管外表面于连接板之间和内管与钢管内表面之间 焊接的 16 个锚具共计可以固定 8 束合金丝,其中每一束都由若干根合金丝组成,当阻尼
22、器发生滑动时,会有一半的合金丝处于拉伸状态 而钢管的设计可以与大跨空间结构中的杆件截面形式相匹配,从而在替换结构原杆件的同时保证杆件刚度不发生变化 法兰的设计使阻尼器便于安装在需要替换的杆件处 SMA-摩擦阻尼器在结构中为轴向受力构件,当结构受到地震作用时,随着杆件所受轴力增大至阻尼器起滑力时,阻尼器开始滑动,通过摩擦将地震动输入能量转化为热能耗散,而合金丝的加入使阻尼器滑动后提供的恢复力随滑动位移增大而增大 由于阻尼器的耗能单元由摩擦单元和合金丝单元共同组成,因此,阻尼器的恢复力为这两部分的线性叠加,组成 SMA-摩擦阻尼器的力学模型,本构关系呈现出独特的旗帜型,如图 311所示 图 2 S
23、MA-摩擦阻尼器构造示意 Fig.2 Schematic of the SMA-friction damper 图 3 SMA-摩擦阻尼器力学模型 Fig.3 Mechanical model of the SMA-friction damper 阻尼器在结构中的布置位置不同时会有不同的减震效果,因此在结构中确定阻尼器的最佳布置位置对结构振动控制至关重要 本文采用基于附加模态阻尼比的阻尼器布置方法12,综合考虑了杆件的模态应变能和各阶模态所占权重的影响 先将结构的模态应变能和杆件的单元模态应变能做比得到模态应变能系数,再将结构前 30 阶13自振周期代入地震动系数影响曲线,得到各阶模态所占权重
24、,最后将模态应变能系数与模态权重相乘,得到不同杆件的替换指标 对杆件的替换指标进行分级,阻尼器优先布置在替换指标大的杆件处 通过对比不同替换位置处的减震性能,验证阻尼器布置方法的正确性,阻尼器布置位置确定流程如图 4 所示 图 4 基于模态附加阻尼比的阻尼器布置方法 Fig.4Damper arrangement method based on the addi-tional modal damping ratio 2023 年 10 月 芦 燕等:SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法 1081 本文所采用的索穹顶结构中,只有内环梁和 3 圈撑杆为刚性构件,内环梁除了轴力之外,
25、还受到弯矩作用,不适合安装只承受轴向力的阻尼器,因此,阻尼器的替换位置应从 3 圈撑杆中选取 表 1 为索穹顶结构 3 圈撑杆的替换指标计算结果,表中,撑杆替换率为阻尼器替换的撑杆数量占结构全部撑杆数量的百分比 根据替换指标的计算结果,阻尼器应优先替换结构的最内圈全部撑杆,如图 5 所示 表 1 3种不同替换位置对应的杆件替换指标数值 Tab.1 Replacement index values of the members corre-sponding to three different replacement positions 阻尼器替换位置 撑杆替换率/%杆件替换指标之和 内圈撑杆
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