位移相關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型消能器的本構關系和在結構中的加速度和位移反應譜，從而進一步的了解位移相關型消能器的原理和實際應用。

【關鍵詞】位移 ?消能器 ?關系

中圖分類號：G4 ? ?文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.05.109

一、本構關系

位移相關型消能器主要包括金屬消能器和摩擦消能器，它的本構關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。其主要參數有：屈服強度、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度之內。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構增加額外的剛度。而整體剛度增強的同時會使結構的自振周期縮短。通常，附加給結構的剛度與消能器的使用位移有聯系。理論中常取力學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的關系，所以把這類消能器叫作位移型消能器。

由結構動力學的理論，單自由度體系的阻尼比ζa與一個振動周期內的最大變形和阻尼消能相關，式子如下：

（1-1）

式中：ζa——系統的附加阻尼比

Ws—— 結構的最大變形能

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。

結構的最大彈性能由下式計算：

（2-2）

式中： ? ——結構的層間位移

k0——結構的最初剛度

S——結構的層間剪力

因為大多數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、反應譜

圖2-2位移相關型消能器結構的反應譜

圖2-2（a）（b）圖分別是擬加速度反應譜和位移反應譜的相關曲線。由于位移相關型消能器可以使得結構的阻尼比增大，同時增加結構的剛度，使得加入位移相關型消能器后結構的周期變短，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譜和位移反應譜都比阻尼比小的反應譜小。從反應譜的角度來看加入消能器后的結構反應譜的譜值從A點移到B點。（a）圖的擬加速度反應譜的大小可以反映出結構的基底剪力的大小，因為剪力是與加速度程正相關的關系。由于結構的周期縮短，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構的總基底剪力效果可能并不是那么顯著。圖（b）的位移反應譜可知，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構位移控制是具有很好的效果。

參考文獻

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