薄壁U形金属阻尼器剪切刚度计算分析

薄壁Ｕ形金属阻尼器剪切刚度计算分析
刘茂社，卢俊龙
（西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安７１００４８）
摘要：通过建立有限元模型，对薄壁型ｕ形金属阻尼器在水平荷载作用下的内力与变形进行了计
算，并结合不同厚度ｕ形阻尼器的力一位移曲线的特征，对阻尼器的内力分布与屈服过程进行分析，通过对比屈服前后的刚度，研究了Ｕ形金属阻尼器的刚度随其厚度及宽度的变化规律。结果表
西安理工大学学报ＪｏｕｎａｒｌｏｆＸｉ ’ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１３）Ｖｏ１．２９Ｎｏ．２文章编号：１００６－４７１０（２０１３）０２－０２０７－０４
ＵＵＭａｏｓｈｅ．ＬＵＪｕｎｌｏｎｇ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｘｉ ’ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ’ ａｎ，７１００４８，Ｃｈｉｎａ）
明，Ｕ形金属阻尼器的屈服开始于压弯段，屈服后其刚度退化较大；屈服前后阻尼器刚度均随厚度
的增加而增加，且当厚度大于６ｍｍ时，增加速度加快；当阻尼器厚度一定时，各刚度均随宽度增加而线性增加，刚度增加速度屈服前略快于屈服后。因此，在结构振动控制设计时应用薄壁ｕ形金
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｉｎＵ．ｓｈａｐｅｍｅｔａｌｄａｍｐｅｒｕｎｄｅｒｈｏｒｉｚｏｎｔｌａｌｏａｄａｒｅｃｌｃａｕｌａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅ１．Ｔｈｅｎｔｈｅｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｙｉｅｌｄｃｏｕｒｓｅｏｆｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄａｍｐｅｒａｒｅａｎｌｙａｚｅｄｉｎｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｃｕｒｖｅｏｆｉｎ．ｔｅｒｎｌａｆｏｒｃｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＵ．ｓｈａｐｅｄａｍｐｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｂｙｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｅ — ｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｙｉｅｌｄｓ．ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｔｒａｎｓｆｏｍａｒｔｉｏｎｏｆＵｓｈａｐｅｍｅｔｌａｄａｍｐｅｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｗｉｄｔｈａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｍｅｎｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｙｉｅｌｄｏｆＵ．ｓｈａｐｅｍｅｔａｌｄａｍｐｅｒｉｓａｔｔｈｅｚｏｎｅｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓａｎｄｂｅｎｔａｎｄｔｈａｔｆｔａｅｒｙｉｅｌｄｔｈｅｓｔｉｆｎｅｓｓｄｅｇｒａｄｅｓｍｕｃｈ，ａｎｄｔｈｅｓｔｉｆｆ－ｎｅｓｓｏｆｄａｍｐｅｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｙｉｅｌｄｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｉｔｓｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｗｈｅｎｈｅｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｘｃｅｅｄｓｏｖｅｒ６ｍｍ．ｔ｝ｌｅｒａｔｅｏｆｅｎｈａｎｃｅｏｆｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉＳａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ．ＷｈｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｄａｍｐｅｒｉＳｉｆｘｅｄ，ｅａｃｈｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｗｉｄｔｈ．Ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒａｔｅｐｉｒｏｒｔｏｔｈｅｙｉｅｌｄｉｓｓｌｉｇｈｔｌｙｆａｓｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｐｏｓｔｅｉｏｒｒｔｏｔｈｅｙｉｅｌｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｗｈｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｉｎＵ— ｓｈａｐｅｍｅｔａｌｄａｍｐｅｒｃａｎｂｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄ
属阻尼器可根据刚度要求设置合理的厚度及宽度。
关键词：薄壁ｕ形金属阻尼器；剪切刚度；振动控制；数值分２．１文献标志码：Ａ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｈｅａｒＳｔｉｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅＴｈｉｎＵ－ＳｈａｐｅＭｅｔａｌＤａｍｐｅｒ

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金属位移型阻尼器耗能和有效刚度的计算

金属位移型阻尼器耗能和有效刚度的计算阻尼器耗能及阻尼比计算公式由《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中12.3.4条：
/(4)
a cj s j W W ξπ=∑
式中：—消能减震结构的附加有效阻尼比
—第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；
—设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

单个阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，具体计算公式如下（《消能减震技术规程》3.3.5条）：
max max max 4()
()cj dy d dy d dy W F u F u u u =∆-∆∆>∆
式中W Cj —单个阻尼器耗能 F dy —阻尼器屈服力 △u y —阻尼器屈服位移 F max —阻尼器实际出力 u dmax —阻尼器实际位移
图2.2金属位移型阻尼器耗能面积计算图
总应变能，其中F i —质点i 的水平地震作用标准值；μi —质点i 对应于水平地震作用标准值的位移。

a ξcj W j j μ∆s
W 1/2s i i W F μ=∑（）
用于消能部件有效刚度计算的阻尼器有效刚度计算公式为：
max max /eff d K F u =∆。

U型软钢阻尼器的设计及力学性能分析

数有屈服承载力、大承载力和屈服位移、限位移【最极ｌ１。
（ｕ型阻尼器元件构造图Ｉ】Ｕ型阻尼器元件尺寸１．腹扳段；２翼缘段：．３螺栓孔；厶梭板长度；Ｈ． ■缭高度；－板厚；ｂ腹板宽度．
６一２上翼缬宽度－翼缘宽度；－Ｆ｜栓孔直径・
本文设计出一种Ｕ型软钢阻尼器。耗能元件结构如其图１所示，由腹板和两翼缘组成。其中腹板为等截面板，两翼缘为变截面板，个阻尼器元件板厚相同。尼器元件两整阻翼缘端处留有螺栓孔，以便与其它结构相连接。型软钢阻Ｕ
１Ｕ型软钢阻尼器设计１１结构组成．
但由于该阻尼器产生较大的扭转变形时需要的尺寸较大，
经济性较差，以该产品在实际中应用较少。在此之后，所国内外学者设计出了各种形式的金属阻尼器。如李钢啵计的
吉告ｓ６
：ｓ２ｙ面＂￣ｂｏ．ｌｒｒ－一ａ
图２Ｕ型软钢钢阻尼器
１２工作
式中，为屈服弯矩，为塑性弯矩，ｒ为材料的屈服强ａｖ
度，为阻尼器元件的屈服承载力，大承载力，和为阻尼器元件的最可按式（）式（）算：３，４计
地震、强风所引起的振动严重影响着工程结构服役的

剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析毕业设计论文

本课题以研究阻尼器的材料、结构以及力学性能来说明其在建筑物的耗能减震中的作用. 通过对不同金属材料的拉伸与扭转实验数据对比从而得到具有更好的耗能特性的，更利于制成阻尼器的金属材料. 并对金属材料的阻尼器进行不同的几种结构设计，在结构设计时，主要以剪切型金属阻尼器为对象，我会考虑到将其尽可能设计成对称的结构形式，减少结构的不规则形状和复杂程度，以便选择合适的加工工艺、操作规则，使其在工业生产与建筑物中的安置更加容易，降低废品率和制造成本. 最后会针对剪切型金属阻尼器进行滞回性能和屈曲性能的分析，通过对不同结构的对比已得到最优化的结构方向.
编号
本科生毕业设计（论文）
题械工程及自动化专业
二〇一五年六月
设计总说明
在人类的生存与发展中，地震和暴风等自然灾害是不可避免的，它们严重威胁着人类的生活，因此人们对地震与风灾害的抵御与防护自古就有. 近几年来，对人们的经济、生命产生巨大伤害的地震在世界各地频繁发生. 而大量事实表明，地震中产生损失的主要因素是建筑物的倒塌，因此提高建筑物结构的抗震能力成为如今减少地震损失的首要方向. 随着科学技术的不断推进，抗震防风的技术也逐渐提高，在建筑物中加入减震耗能装置起到了至关重要的作用，使建筑物结构的强度、刚度、延性也有了非常明显的提高. 如今，结构的抗震耗能装置发展已比较成熟，现在，人们在通过调整或改变结构的震动反应以及动力参数途径，已达到进一步的提高建筑物在自然灾害中的完整性，有效的保护人们的生命安全. 在减震装置阻尼器的研究与操作方面，国外已具有很先进的技术，在航天、桥梁、房屋等方面都取得了成功的应用. 而如今我国为了加强建筑物结构的稳定性，也逐步的加强阻尼器研究与开发.
通过此次课题研究可以表明剪切型金属阻尼器具有良好的耗能减震功能，可以满足提高建筑物抗震能力的要求. 并且对于改变结构以及腹板、翼缘尺寸的阻尼器其耗能特性的变化还是比较明显的，因此，在实际工业建筑应用时，应考虑多方面因素以使用最为恰当的阻尼器。

剪切型金属阻尼器的结构设计及力学特性分析毕业设计论文

Keywords:metal damper; Ansys finite element analysis; seismic energy dissipation; buckling analysis.
Design G survival and development of human, earthquake, storm and other natural disasters are inevitable, and they are serious threats to human life. So people resist earthquake and wind damage since ancient times. In recent years, the earthquakes happened more frequently around the world, which caused huge damage to people's lives and property. The fact is that the main reason for losses is the building collapsed in the earthquake, and therefore to improve the seismic capacity of the building structure to reduce earthquake losses now becomes the primary direction. With the continuous advance of science and technology, seismic wind technology is gradually improving. Adding damping energy consuming device in the building plays a vital role in making the building structure strength, stiffness, ductility. Today, the development of seismic energy dissipation device structure is more mature, people in shock reaction by adjusting or changing the way the structure and dynamic parameters has reached further improve in the integrity of the building in natural disasters and effective protection from people's lives in the shock absorber damper research and operational aspects, which have very advanced technology, aerospace, bridges, houses, etc. and have made a successful application. But today China is also gradually strengthen Damper and development, which will be apply to various areas in order to ensure the stability of the structure.

高性能剪切钢板阻尼器的性能模拟分析与试验研究

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华中科技大学硕士学位论文 1 绪论
1.1 课题背景
地震是危及人类的生产活动以及生命财产安全的突发性的自然灾害[1]。20 世纪以来，中国共发生 6 级以上地震近 800 次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市，死于地震的人数达 55 万之多，占同期全球地震死亡人数的 53%。中国这 7%的国土上也承受了全球 33%的大陆强震，是世界上大陆强震最多的国家[2] 。2008 年四川汶川地震，震级达 8.0 级，死亡达 7 万余人，直接经济损失 8451 亿人民币。据统计，世界上平均每年发生破坏性地震约 18 次。2004 年印度洋发生 8.9 级地震，并引发海啸，造成 23 万人遇难失踪。2010 年 1 月海地发生 7.3 级地震，死亡人数至少达 30 万。同年 2 月智利发生 8.8 级地震，损失达 300 亿美元。国内外大量震例表明，地震造成的损失绝大多数是由于建筑物的倒塌引起的。提高各类工程结构的抗震能力，保证地震时结构物和工程设施不破坏，是目前人类减轻地震灾害对策中最积极、有效的措施。传统的抗震通过结构及承重构件的损坏消耗能量，导致结构构件出现不同程度的损伤甚至倒塌，修复费用也是相当昂贵的，是不够合理也是不经济的。合理有效的抗震途径是给结构安装减震装置（系统），一部分地震能量将分配到减震装置，使主体结构避免进入明显的非弹性状态，从而保护主体结构在强震中免遭破坏[3]。
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阻尼器的阻尼和刚度计算

阻尼器的阻尼和刚度计算
阻尼器是一种用于减震和减振的装置，主要通过消耗振动能量来减小结构物的振幅和振动。

阻尼器的阻尼和刚度计算是设计阻尼器时需要考虑的重要问题。

一、阻尼计算
阻尼器的阻尼计算需要考虑结构物的质量、刚度和自然频率等因素。

一般来说，阻尼器的阻尼系数越大，阻尼效果越好。

阻尼系数的计算可以采用以下公式：
D = c * M
其中，D表示阻尼系数，c表示阻尼器的阻尼比，M表示结构物的质量。

阻尼比是指阻尼器的阻尼力与结构物动力学响应的比值，通常取值在0.1~0.5之间。

二、刚度计算
阻尼器的刚度计算需要考虑结构物的刚度和自然频率等因素。

一般来说，阻尼器的刚度越小，阻尼效果越好。

刚度的计算可以采用以下公式：
K = (2 * π* f)^2 * M
其中，K表示阻尼器的刚度，f表示结构物的自然频率，M表示结构物的质量。

自然频率是指结构物在没有外力作用下自由振动的频率，通常在设计时需要控制在一定范围内。

总之，阻尼器的阻尼和刚度计算需要综合考虑结构物的质量、刚度和自然频率等因素，以达到减震和减振的目的。

金属阻尼器在剪力墙结构消能减震设计中的应用

金属阻尼器在剪力墙结构消能减震设计中的应用摘要：消能减震对于结构抗震来说是至关重要的，消能减震技术在目前的大型结构抗震、抗风等领域中得到了广泛的应用。

本文将探讨金属阻尼器在剪力墙结构消能减震设计中的应用，通过结合工程实例，简述了建筑消能减震的设计原理及消能器分类，对其采用消能减震阻尼器进行消能减震设计，经结果可知，该设计达到了预期的减震目的，符合相关要求。

关键词：剪力墙结构，消能减震，金属阻尼器，设计；难点引言地震又称地动、地振动，是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，它不仅会直接破坏建筑物及构筑物，同时也会造成泥石流等次生灾害的发生，造成极大的人员伤亡和经济财产损失。

因此消能减震技术日益得到广大的建筑结构设计人员的关注。

消能减震是结构地震控制的一个行之有效的重要手段，其改变了结构的动力特性，从而使结构在地震（或风）作用下的动力反应得到了有效地控制。

基于此，下文将论述金属阻尼器在本工程剪力墙结构消能减震设计中的应用，并讲述其施工难点，可为有关工程提供借鉴作用。

1 建筑消能减震设计原理建筑消能减震技术经过多年应用已成为成熟技术。

建筑消能减震设计按照国家规范GB50011—2010建筑抗震设计规范及相应的行业标准进行。

消能减震设计指的是在房屋结构中适当设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的地震能量，达到预期防震减震要求。

其实现方法是在结构中某些相对变形较大的部位安装消能装置或者将某些非承重构件设计成消能构件，通过消能装置和消能构件大量消耗地震输入能量，达到减震目的。

结构中合理布置消能器以达到预定减震效果。

2 消能器分类建筑消能部件可由消能器及斜撑、墙体、梁等支承构件组成。

消能器分为速度相关型、位移相关型和其他类型。

（1）速度相关型。

消能器的耗能能力与消能器两端的相对速度有关的消能器，如粘滞消能器、粘弹性消能器等。

（2）位移相关型。

消能器的耗能能力与消能器两端的相对位移有关的消能器，如金属消能器、摩擦消能器和屈曲约束支撑等。

剪切型金属阻尼器在某高层项目中的应用

2022年第8期（总第416期）工程设计金属阻尼器因具有屈服强度低、改善结构侧向刚度分布等优点，在高层建筑工程设计中得到了广泛应用。

剪切型金属阻尼器作为常用的应用结构，通过整理剪切型金属阻尼器应用时需注意的内容，对于提升结构抗震性与稳固性有着积极作用。

1剪切型金属阻尼器技术分析从实际应用情况来看，剪切型金属阻尼器技术在应用中具有以下优势：①剪切型金属阻尼器的初始刚度相对较高，能够在出现小震情况时进入屈服状态，从而具有了良好的耗能效果，在使用中能够为上部结构提供一定的应用刚度，而且也可以为整个结构提供相应的阻尼比；②此类结构的单体厚度较小，将其放置在隔墙当中并不会干扰到建筑结构的整体功能；③剪切型金属阻尼器在施工时可以采用后安装的方法进行作业，并不会对工程整体的施工进度产生过多影响。

同时，剪切型金属阻尼器在使用中也具有以下不足：剪切型金属阻尼器在使用中会对隔墙结构产生相应影响，在使用中会由于墙体与阻尼器间隔过近导致一些裂缝问题，影响到整个施工结构的稳定性。

2工程项目概述某高层项目总建筑面积约39万m 2，由两栋塔楼及裙房组成。

其中塔楼A 结构高度为179m(41层），塔楼B 结构高度为89m(20层）。

两栋塔楼及东部裙房均属超限高层，尤其是东部裙房，为平面和竖向均特别不规则的超限高层。

本工程建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度（0.1g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类。

塔楼B 为钢筋混凝土框架－核心筒结构体系，核心筒底部加强区最大墙厚为550mm ，并随楼层高度的增加而逐步减小为350mm 。

该结构存在楼层最大位移比大于1.2和两层楼板有限宽度小于该层典型宽度50%等超限情况，为提升建筑结构整体的抗震性能，选用剪切型金属阻尼器进行施工，以提高整体结构的稳固性。

3剪切型金属阻尼器的应用要点3.1技术参数优化参考该项目工程的应用特点，在应用时引入剪切型金属阻尼器进行施工，用来制作金属阻尼器的钢板力学参数如下：①钢板屈服强度为235MPa ，满足≥225MPa 的设计要求；②钢板极限强度为328MPa ，满足≥300MPa 的设计要求；③钢板延伸率为44%，满足≥40%的设计要求。

U型金属阻尼器受力性能和数值模拟分析方法研究

U 型金属阻尼器受力性能和数值模拟分析方法研究摘要随着城市交通的发展，车辆行驶速度不断提高，道路状况变化频繁，交通事故发生的可能性也在增加。

因此，保证交通安全和减少交通事故的发生，成为当今社会亟需解决的问题之一。

本文以U 型金属阻尼器为研究对象，针对其受力性能进行了分析和研究。

主要通过数值模拟的方式，对U 型金属阻尼器的受力情况进行了计算和分析，并对其结构优化方案进行了探索。

关键词：U 型金属阻尼器；受力性能；数值模拟；结构优化。

AbstractWith the development of urban traffic, the vehicle speed is constantly increasing, and the road conditions are changing frequently. The possibility of traffic accidents is also increasing. Therefore, ensuring traffic safety and reducing the occurrence of traffic accidents has become one of the pressing issues in today's society. This paper takes the U-shaped metal damper as the research object and analyzes and studies its force performance. Mainly through numerical simulation, the force situation of U-shaped metal damper is calculated and analyzed, and the structural optimization scheme is explored.Keywords: U-shaped metal damper; force performance; numerical simulation; structural optimization.正文1.研究背景随着人们对于交通安全重视程度的提高，减少交通事故的发生已经成为当今社会亟需解决的问题。

墙式剪切型金属抗震阻尼器刚度等效计算流程

墙式剪切型金属抗震阻尼器刚度等效计算流程
1) 根据连接墙尺寸和阻尼器参数计算消能部件的相关参数： 1连接墙刚度=11+连接墙弯曲刚度连接墙剪切刚度
⨯⨯⨯连接墙剪切刚度=0.4混凝土弹性模量连接墙厚度连接墙长度/连接墙计算长度/1.2⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯33
321
连接墙弯曲刚度=
11+混凝土弹性模量连接墙厚度连接墙长度混凝土弹性模量连接墙厚度连接墙长度连接墙计算高度4连接墙计算高度阻尼器高度3连接墙变形=阻尼器屈服力/连接墙刚度
消能部件屈服位移=阻尼器屈服位移+连接墙变形
2) 消能部件初始刚度
1
消能部件初始刚度=11+阻尼器初始刚度连接墙刚度 3) 计算等代构件（等代柱）的刚度：
⎛⎫⨯⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭33112钢弹性模量等代柱宽度等代柱高度12等代柱弯曲刚度=等代柱长度
⨯⨯⨯钢剪切模量等代柱宽度等代柱高度
等代柱剪切刚度= 1.2等代柱长度
1
等代柱刚度=11+等代柱弯曲刚度等代柱剪切刚度
由“等代柱刚度=消能部件初始刚度”可以得到初始的等代柱的构件尺寸。

4) 将等代柱按计算得到的尺寸输入到反应谱计算模型中，开始迭代计算。

对建入等代柱的模型进行小震反应谱分析，读取反应谱计算结果中墙式剪切型阻尼器所在位置的等代柱在阻尼器工作方向的地震工况下的出力（阻尼器实际工作
方向），其中出力为调整前标准出力
5)计算消能部件的水平位移：
消能部件出力
消能部件位移=
消能部件刚度
其中消能部件刚度为目前模型中等代构件的刚度。

6)根据前文“反应谱法迭代计算步骤”,由消能部件的出力和消能部件位移，可求得下一步的附加阻尼比和等代构件的有效刚度，开始迭代直至收敛。

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