本文是一篇土木工程论文，本文利用U型耗能钢板构造简单、价格低廉、耗能较强等特点，通过组合不同参数的U型耗能钢板设计了一种分级屈服型金属阻尼器，通过调整U型耗能钢板的几何尺寸可实现分级屈服目标。
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
地震是一种突发式自然灾害，具有破坏性强、发生范围广、难预测的特点，同时还伴随着一系列的次生灾害发生，比如海啸、洪水、火山爆发等，给人民生命和财产造成了极大的损失。据统计，地球每年平均发生500万次左右的地震，其中5级以上的破坏性地震约占1000次[1]。破坏性地震并不是均匀分布在世界各地的，通常可以划分出4条全球规模的地震活动带，其中欧亚地震带和环太平洋地震带是地震活动最为频繁的2条地震带[2]。
我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带交汇处，是一个地震多发的国家，同时也是遭受地震灾害损失最为严重的国家之一。21世纪以来，我国发生了数次强震，例如：2008年5月，汶川发生8级大地震，受灾面积达10万km2，死亡人数高达6.9万人，伤37.5万人，直接经济损失达9841亿元；2010年4月，青海玉树发生多次地震，最高震级7.1级，造成2698人遇难，270人失踪；2013年4月，四川省庐山发生7.0级强震，造成196人死亡，11470人受伤，房屋倒塌1.7万余户；2014年2月，新疆和田地区于田县发生7.3级地震，6334人受灾，灾害直接经济损失3364万元；2017年8月，四川阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，地震造成25人死亡，525人受伤，73671间房屋不同程度受损；2022年9月，四川甘孜藏族自治州泸定县发生6.8级地震，造成54.8万人受灾，因灾死亡失踪117人，直接经济损失154.8亿元。通常地震作用下建筑物的倒塌是造成人员伤亡和经济损失的直接原因，因此研究如何提高建筑的抗震性能成为目前重要的课题之一。
地震以波的形式向结构输入能量，传统的抗震结构往往通过自身构件的塑性变形来耗散地震能量，参与耗能的构件往往会发生损伤甚至破坏，这种耗能方式显然比较消极被动，影响结构的安全性。传统的抗震设计方法依靠提高结构刚度抵抗地震作用，但结构刚度增加的同时伴随着地震力的增加，因此盲目的增大结构刚度可能会适得其反，同时一味地通过增大截面，提高配筋率来增大结构刚度的方法会显著提高结构造价，不具备经济性。此外，由于地震动的随机性，结构不可避免地会发生损伤，虽然合理的抗震设计可以保证结构在地震作用下实现小震不坏、中震可修、大震不倒的性能水平，但在大震甚至极大震过后，结构过大的残余变形造成结构难以修复甚至会发生倒塌，应引起工程人员注意。
1.2 消能减震技术简介
消能减震技术属于典型的被动控制技术，其概念是指在结构的某些部位设置耗能装置，通过其相对变形或相对速度提供附加阻尼，从而可以耗散输入结构的地震能量，达到预期的防震减震要求[3]。
在小震和风荷载作用下，结构中的耗能部件可以提供附加侧向刚度，确保建筑满足正常使用要求，此时耗能部件保持弹性状态；中大震及强震作用下，耗能装置提前进入塑性变形状态，开始耗散地震能量，从而可以减小主结构吸收的地震能量，有效减轻了结构损伤，大大提高了结构的安全性。
主体结构通常依靠自身的塑性变形和粘滞阻尼进行耗能，粘滞阻尼耗能一般占总能量的很小一部分（约5%），故传统的结构主要依靠结构塑性滞回耗能，部分构件不可避免地会发生损伤甚至失效，结构塑性滞回耗能越多，意味着结构破坏程度越严重。消能减震结构通过额外设置耗能装置耗能，可以将大部分地震能量耗散，结构本身只耗散小部分能量，对主体结构起到了保护作用。从另一个方面来看，设置耗能装置可以增加结构的阻尼，从而可以耗散能量，减小结构的地震反应。
第2章 分级屈服型金属阻尼器的理论研究
2.2 分级屈服性金属阻尼器的基本理论
2.2.1 分级屈服型金属阻尼器的构造形式
分级屈服型金属阻尼器的构造图如图2-1所示，可以看到阻尼器主要由不同几何参数的U型耗能钢板、垫块、上下连接板三部分组成，不同尺寸的U型耗能钢板与对应尺寸的垫块相组合，整体通过沉头孔的方式与上下连接板连接。U型耗能钢板作为主要的耗能部件，是由Q235钢板通过整体切割弯折成型，包括上下平直段和圆弧段，示意图如图2-2所示，上下平直段设置有螺孔，通过相应尺寸的螺栓进行连接固定。上下连接板主要起到与U型耗能钢板连接的作用，应保证具有足够的刚度。内部U型耗能钢板主要通过螺栓进行固定，相较于大多耗能钢板采用焊接的形式，采用螺栓连接的耗能板材具有更好的变形性能，阻尼器在地震反复作用下力学性能更稳定，同时有利于震后更换。在实际应用中，上下连接板和梁、支撑、悬臂墙等构件的连接可以采用螺栓或焊接的形式。
2.3 U型耗能钢板的力学性能分析
本文提出的U型耗能钢板分级屈服型金属阻尼器通过组合不同几何参数的U型耗能钢板组成，因此有必要将U型耗能钢板单独拿出进行受力分析，以便对阻尼器进行初步设计，同时为后文减震结构设计提供理论依据。 通过上节介绍可知，阻尼器主要通过U型耗能钢板进入塑性耗能，U型耗能钢板在受外力作用时，上下平直段被认为完全固定，不发挥耗能作用，变形集中于圆弧部位，因此在对U型耗能钢板作受力分析时，仅针对圆弧段进行分析。 提取U型耗能钢板的圆弧段进行分析，圆弧段两端可视为完全固定，将固定端以未知力替代进行受力分析，圆弧段的受力简图如图2-3所示。在进行理论推导之前需提出几项假定[30][31]:
（1）圆弧段截面在变形后仍保持平面且与变形后的轴线垂直，满足平截面假定。 （2）变形仅发生在圆弧段，平直段只发生水平位移且不变形。 （3）在发生变形后，圆弧段依旧保持圆弧形状。 （4）只考虑圆弧段的弯曲变形，忽略其轴向变形和剪切变形。
第3章 分级屈服型金属阻尼器的试验研究.............. 27
3.1 引言 ................ 27
3.2钢材的材性试验 ........................ 27
第4章 分级屈服型金属阻尼器的有限元分析............................ 49
4.1 引言 ..................... 49
4.2 分级屈服型金属阻尼器有限元模型的建立 ....................... 49
第5章 分级屈服型金属阻尼器减震结构的设计方法与分析................ 60
5.1 引言 ......................... 60
5.2 分级屈服型金属阻尼器减震结构设计方法 ....................... 60
第5章 分级屈服型金属阻尼器减震结构的设计方法与分析
5.2 分级屈服型金属阻尼器减震结构设计方法
5.2.1 结构性能化设计
1 总述
我国遵循的抗震设防目标可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，上述设防思想在过去几十年中被世界各国普遍认同并应用在实际的抗震设计中，在建设工程防灾减灾上发挥了重要的作用。但随着国民经济的发展，人们开始意识到仅通过防止建筑倒塌，保证人民生命安全这一单一设防目标不太适应现代经济建设及社会发展的需求，因为地震灾害带来的财产损失、后期的加固费用及建筑或设施中断带来的损失远超过了社会的承受能力。同时，我国采用的三水准抗震设防目标只是对小震进行了定量化的抗震设计计算，针对中大震只有定性要求。这表明传统的抗震设计方法需要进行完善和更新，人们迫切需要更加全面、灵活能够明确体现结构安全性和可靠性的抗震设计方法。
基于性能的抗震设计方法的基本思想是根据建筑物的使用功能、重要性、建筑使用年限、设防烈度、投入资金等众多因素确定的抗震性能目标进行结构计算和设计，对所设计的结构进行性能评估，使其满足预定的性能目标。这种设计思路可以让业主或使用者参与决策，在保证结构物安全的同时，使其在各种强度地震作用下满足相应的性能目标，以实现基于“投资-效益”的目标。上述设计方法包含以下三个重要概念，下面分别简单介绍。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文利用U型耗能钢板构造简单、价格低廉、耗能较强等特点，通过组合不同参数的U型耗能钢板设计了一种分级屈服型金属阻尼器，通过调整U型耗能钢板的几何尺寸可实现分级屈服目标。针对设计的U型耗能钢板分级屈服型金属阻尼器，本文对其进行了理论研究、试验研究、数值模拟和减震结构算例分析，主要工作和结论如下：
（1）对组成分级屈服型金属阻尼器的U型耗能钢板进行力学分析，通过材料力学相关理论推导了U型耗能钢板的力学性能参数表达式，如屈服位移、屈服荷载、初始刚度、屈服后刚度等力学参数，为后面的试验设计提供了理论基础。同时利用ABAQUS有限元软件探究了几何参数对U型耗能钢板力学性能的影响规律。
（2）对不同厚度的Q235钢材拉伸试样进行了拉伸试验，得到相应试样的应力-应变曲线及各拉伸试样的力学性能试验结果，各试样的应力-应变曲线均出现明显的屈服平台，各组试样由于存在加工误差，同一组的各试样其力学性能不完全相同。随着试样厚度的增加，各组试样的屈服强度平均值逐渐减小。
（3）共设计了两个U型耗能钢板分级屈服型金属阻尼器试件，对其分别进行了低周反复荷载试验，得到了两个试件的滞回曲线，滞回曲线比较饱满，呈梭形，表明该阻尼器具有较强的耗能能力；两个试件的骨架曲线外形相似，呈S形，正负向荷载位移曲线均呈初始阶段快速上升，再缓慢上升，最后基本保持水平直至承载力开始下降的趋势，分级屈服现象明显，可在不同强度地震作用下分阶段耗能；强度退化率均在0.98~1.01之间，表明试件可保持承载能力稳定；等效刚度随位移增大而逐渐减小，初始加载阶段刚度退化较快，随后刚度退化逐渐缓慢，整体曲线较为光滑；试件循环加载30圈所形成的滞回曲线基本重合，滞回曲线比
