1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
地震是一种破坏力极强的自然灾害，我国恰好位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是世界上遭受地震灾害损失最为严重的国家之一。千百年来人们寻求各种途径来减少地震带来的灾难，东汉科学家张衡在公元 132 年发明了候风地动仪来预测地震，但是由于地震的突发性和复杂性使得其预测结果不甚准确。地震总是会带来了巨大的人员伤亡和经济损失：1920 年宁夏海原 8.5 级地震，房屋倒塌无数，死亡 23 万余人[1]；1976年唐山 7.8 级大地震，伤亡近 40 万人，直经济损失达近百亿人民币；2008 年 5 月 12 日汶川地震时，大量建筑倒塌，医院、学校等公共服务设施严重破坏。详实的数据表明因地震造成的生命及财产损失绝大部分是由于建筑物的倒塌，因为建筑物的倒塌不仅直接夺去了宝贵的生命，还是火灾、疾病等严重的次生灾害的源头，因此提高建筑工程设施的抗震能力是减轻地震灾害的有效途径。 传统的抗震设计思路是控制结构在不同的地震烈度下具有不同的损坏程度，即通过增强建筑自身的强度和刚度,来提高其抗震能力、减少结构在地震作用下的水平位移,以满足结构抗震设防标准,达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计目标。它依据结构构件的适度循环滞回变形来耗散地震输入能量，然而滞回耗能的积累总是不可避免地会损伤结构构件, 而且某些损伤甚至是不可修复的，因而这种方法容易造成浪费而且缺乏自我调节能力。 自1972年J. T. P. Yao[2]提出结构控制的概念后,各国工程师们将控制理论和控制系统引入结构工程中，从此开启了新型抗震设计的大门。结构消能减震技术正是这样一种新型的主动防灾减灾技术，它采用具有较大耗能能力的阻尼器作为结构的某些非承重构件（如支撑、节点、楼层空间等），利用其变形来耗散能量。在小震弱风时，结构处于弹性状态，本身就具有足够的抗侧刚度来满足正常使用要求；当大震强风时，随着结构侧向变形的增大，阻尼器先于承重结构构件进入非弹性状态，产生较大阻尼力，集中耗散掉一部分能量，以减轻结构的振动反应，从而达到减震的目的。
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1.2 软钢阻尼器的发展和研究现状
目前，已经开发和利用的阻尼器形式各异、种类繁多，《建筑抗震设计规范》[3]将其大致分为位移相关型和速度相关型。位移相关型阻尼器的耗能与其自身变形和相对滑动位移有关；速度相关型阻尼器的阻尼特性与加载频率有关。 泉州市天都广场写字楼[4] (17 层) 工程在基础和上部房屋结构之间设置了一由橡胶隔震支座和铅挤压阻尼器组成的隔震层，能够有效隔离地震能量向上部房屋结构的输入。调质阻尼器（简称 TMD）多用于超高层建筑，通过产生惯性力来调谐主体结构的振动作用，减少风振响应。台湾的台北 101 大厦就装置一个重达 660t 的调质阻尼器[5]。无独有偶，上海环球金融中心[6,7]也是在安装了 2 台 150t 的调质阻尼器后大大降低了风振响应，但是该阻尼器在结构减震方面效果不大。调谐液体阻尼器利用结构上固定容器中液体的惯性和黏性耗能减小结构的振动，北京长安街的银泰中心高达 62 层就是通过安装七十多个调谐液体阻尼器[8]来提高抗震能力，减少能量的输入。 金属阻尼器是利用金属不同形式的弹塑性滞回变形来消耗能量，是一种位移相关型阻尼器，主要用于减小地震响应。目前己开发和利用的主要有：软钢阻尼器、钢棒阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金等。本文研究的即是软钢阻尼器，软钢是一种硬度小，含碳量低的低碳钢，其强度稍小但塑性高，因而软钢阻尼器具有稳定的低周疲劳特性、良好的滞回特性、可不受环境温度的影响，而且方便安装，易于更换。
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2 软钢阻尼器模型
2.1 引言
科技改变生活，突飞猛进的科技也给建筑领域带来了翻天覆地的变化，从前存在于图纸或想象中的建筑物逐渐地进入人们的视野，而这些新颖复杂的建筑给结构设计人员带来众多烦忧，尤其是抗震设计方面存在着许多难题，使用阻尼器有助于解决这一难题。 四十多年来随着建筑行业的蓬勃发展，被开发出来的阻尼器种类多样，人们比较熟知的有调质阻尼器，粘滞阻尼器等。本文研究的是软钢阻尼器，该阻尼器具有优越的耗能性能。
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2.2 软钢的力学特性
软钢阻尼器的材料选用 Q345 宽翼缘 H 型钢板。软钢属于一种低碳钢，其强度稍小但塑性高、延展性好，因而软钢阻尼器能够在主体结构受力时先一步发生变形，耗散部分能量以减少建筑物的负担。 钢材的的基本参数有弹性模量、泊松比、屈服强度等，其屈服强度和弹性模量可由单向拉伸试验测得，常用的单轴应力-应变曲线有理想弹塑性模型和折线模型（如图2.1），如二折线模型。1989 年，Whittaker 等人[52]利用弹塑性应力-变关系, 提出了 X 型钢板阻尼器刚度和屈服位移等的参数求解方法。本文的钢结构材料采用线-弹塑性材料本构关系，强化阶段的斜率采用初期刚度的 0.01 倍，并应用 Von-Mises 屈服准则和随动强化准则，泊松比 ν 取 0.3，本文研究的有限元模型采用 Q345 钢材，材料属性见表 2.1。弹性模量也叫杨氏模量，是衡量物体在弹性阶段抵抗变形能力的参数，数值上等于应力和对应应变的比值。泊松比也叫横向变形系数，是材料在单向受拉或受压时横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，它是反映材料横向变形的弹性常数。屈服强度就是材料在发生屈服时所具有的强度，钢材在最初受力时处于弹性阶段，此时应力与应变成正比例关系，其比值即为弹性模量；随着应力的增加，材料开始发生塑性应变，应力应变曲线出现一个上下波动的平台，其下屈服点即为屈服强度。 目前，常用于描述钢材屈服后的塑性变化模型有等向强化模型和随动强化模型。 等向强化模型假定材料在塑性变形后，仍保持各向同性的性质，忽略由于塑性变形引起的各向异性的影响，即屈服面形状和中心在加载过程中不变，不考虑材料的包辛格效应。因此，只适用于变形不大的装置。 随动强化模型，考虑了材料具有明显的各向异性，即中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现屈服极限降低的现象，其模拟结果更贴近材料的实际情况。 随动强化模型有线性随动强化模型和非线性随动强化模型两种，由于线性随动模型假定强化模量在材料的塑性变形中为定值，因而准确性不高；非线性随动强化模型的强化模量是不断变化的，能够更准确地反映其塑性变化。
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3 中空菱形软钢阻尼器优化设计 .... 14
3.1 引言 ... 14
3.2 选型优化设计 ......... 14
3.3.1 初步外形优化 .......... 15
3.3.2 初步尺寸优化 .......... 22
3.2.3 二次外形优化 .......... 30
3.2.4 二次尺寸优化 .......... 38
3.3 本章小结 ...... 45
4 多圆孔软钢阻尼器优化设计 ......... 48
4.1 引言 ... 48
4.2 选型优化设计 ......... 48
4.2.1 初步外形优化 .......... 48
4.2.2 二次外形优化 .......... 53
4.2.3 尺寸与位置优化 ...... 57
4.3 本章小结 ...... 73
5 结论与展望 ....... 75
5.1 主要结论 ...... 75
5.2 未来展望 ...... 76
4 多圆孔软钢阻尼器优化设计
4.1 引言
上一章提出的软钢阻尼器是在宽翼缘 H 型钢板的腹板中央开一个菱形大洞并腹板上侧的两个圆形小洞，本章提出一种新型阻尼器，达到减震目的：即在小风小震时先于主体结构进入弹性阶段，在大风大震时利用其变形来耗散尽可能多的能量。本章尝试提出一种多孔的阻尼器，根据上一章的模拟数据可知开圆形洞易于提高阻尼器的耗能能力并改善其应力集中现象，因而在本章中尝试开发一种在腹板上开多个圆形洞的新型阻尼器。由于在平面内受力形式下钢板易造成应力集中，为了克服阻尼器钢板平面内受力形式存在的缺陷，尝试选择在腹板平面内开孔，期望实现多点的同时屈服，提高阻尼器的耗能性能。 当直接将该钢板作为阻尼器时的粘滞阻尼系数为 0.459，耗能系数为 3.8825，而且腹板下侧有 1/3 的范围有严重的应力中现象，因而尝试在腹板中央开多个圆形孔，同时对比分析在腹板中心不开孔和开孔的模型 表 4.1 为阻尼器模型 RGN-01 至 RGN-08 各自的开孔模式、个数，表 4.2 为阻尼器模型 RGN-01 至 RGN-08 各自的耗能指标。
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结论
随着振动控制理论与建筑技术的融合，利用阻尼器来吸收和耗散能量的新型耗能减震技术得以运用到实际过程中并大量推广。 本文提出两种新型软钢阻尼器：中空菱形软钢阻尼器、多圆孔软钢阻尼器。这两种阻尼器拥有良好的耗能性能：饱满的滞回曲线、较高的耗能指标和承载力，云图中较少的应力集中现象。 本文第三章模拟了 46 个模型后得到中空菱形软钢阻尼器，第四章通过模拟 36 个模型后得到多圆孔软钢阻尼器，通过全文 82 个模拟结果可以得到如下结论：
（1）在 H 型钢板的腹板上开孔可以提高阻尼器的耗能性能，据开孔特点可将其大致分为两类：有菱角的和无菱角的。其中，开有菱角的地孔更易提高阻尼器耗能指标但同时会增加出现应力集中现象的风险。
（2）在对中空菱形软钢阻尼器进行优化时，在确定阻尼器的初步开孔形状后对菱形孔的尺寸进行优化，即确定菱形横、纵对角线的长度。从模型的应力云图中可以发现：当开菱形孔的尺寸稍小时，应力集中现象会有所改善；当开孔尺寸过大时，易在左、右菱角处发生变形。
（3）当中空菱形阻尼器的菱形孔的两条对角线相互垂直且长度相等时，模型的耗能指标不高且云图中右侧菱角处及右下侧板边缘部位有严重的应力集中现象。
（4）由于中空菱形软钢阻尼器完成初步外形优化、尺寸优化后的模型的耗能性能不高，进行二次外形优化，即在菱形孔上侧开两个尺寸较小关于 Y 轴对称的圆形孔，此时应力集中现象并无明显改善，但是开圆形孔后模型的耗能指标提高了。
（5）中空菱形阻尼器在菱形孔四周继续开孔时，要考虑受力均衡，只在菱形孔左侧开两个圆形孔破坏受力平衡，导致阻尼器没有完成所有循环就破坏。
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参考文献(略)