位移相關(guān)型消能器的原理探究

劉維剛

【摘 ? ?要】本文主要介紹了位移相關(guān)型消能器的本構(gòu)關(guān)系和在結(jié)構(gòu)中的加速度和位移反應(yīng)譜，從而進(jìn)一步的了解位移相關(guān)型消能器的原理和實際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】位移 ?消能器 ?關(guān)系

中圖分類號：G4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.05.109

一、本構(gòu)關(guān)系

位移相關(guān)型消能器主要包括金屬消能器和摩擦消能器，它的本構(gòu)關(guān)系曲線一般為雙線型，如圖1-1所示。所有的位移耗能器中以金屬耗能器最受歡迎。其主要參數(shù)有：屈服強(qiáng)度、初始剛度、屈服后剛度和屈服位移。消能器的正常工作一定是在其最大位移和最大強(qiáng)度之內(nèi)。在使用中，由于消能器本身具有一定的剛度，所以從整體來說會給結(jié)構(gòu)增加額外的剛度。而整體剛度增強(qiáng)的同時會使結(jié)構(gòu)的自振周期縮短。通常，附加給結(jié)構(gòu)的剛度與消能器的使用位移有聯(lián)系。理論中常取力學(xué)模型的割線作為其附加的等效剛度。

圖1-1.力與位移曲線

從圖1-1圖2滯回消能曲線中可以知道，消能器消能的能力與位移程正相關(guān)的關(guān)系，所以把這類消能器叫作位移型消能器。

由結(jié)構(gòu)動力學(xué)的理論，單自由度體系的阻尼比ζa與一個振動周期內(nèi)的最大變形和阻尼消能相關(guān)，式子如下：

（1-1）

式中：ζa——系統(tǒng)的附加阻尼比

Ws—— 結(jié)構(gòu)的最大變形能

Wc——阻尼消耗的能量

圖1-1圖2消能器的消能為滯回曲線的面積。

結(jié)構(gòu)的最大彈性能由下式計算：

（2-2）

式中： ? ——結(jié)構(gòu)的層間位移

k0——結(jié)構(gòu)的最初剛度

S——結(jié)構(gòu)的層間剪力

因為大多數(shù)有限元軟件中可以直接獲得層間位移和剪力的精確值，所以公式中采用層間位移和層間剪力來表示彈性能。

二、反應(yīng)譜

圖2-2位移相關(guān)型消能器結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜

圖2-2（a）（b）圖分別是擬加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜的相關(guān)曲線。由于位移相關(guān)型消能器可以使得結(jié)構(gòu)的阻尼比增大，同時增加結(jié)構(gòu)的剛度，使得加入位移相關(guān)型消能器后結(jié)構(gòu)的周期變短，阻尼比增加。兩圖中都包含了兩條阻尼比大小不同的曲線，阻尼比大的加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜都比阻尼比小的反應(yīng)譜小。從反應(yīng)譜的角度來看加入消能器后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜的譜值從A點移到B點。（a）圖的擬加速度反應(yīng)譜的大小可以反映出結(jié)構(gòu)的基底剪力的大小，因為剪力是與加速度程正相關(guān)的關(guān)系。由于結(jié)構(gòu)的周期縮短，基底剪力增大，但是由于阻尼比增大，基底剪力會下降，由此可推出位移型消能器對減少結(jié)構(gòu)的總基底剪力效果可能并不是那么顯著。圖（b）的位移反應(yīng)譜可知，由于阻尼比增大，位移下降，周期變短，位移再次下降。所以位移消能器對于結(jié)構(gòu)位移控制是具有很好的效果。

參考文獻(xiàn)

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