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      腹板柔細(xì)比對(duì)剪切型阻尼器耗能效果的影響研究?①

      2015-04-14 08:05:34劉長國
      關(guān)鍵詞:阻尼器屈曲腹板

      劉長國

      (同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092)

      0 概 述

      隨著對(duì)歷次建筑物震害經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)和結(jié)構(gòu)抗震理論研究的深入發(fā)展,消能減震技術(shù)已經(jīng)逐漸成為建筑抗震領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1].根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[2~3],消能器根據(jù)其耗能機(jī)理一般可分為位移相關(guān)型消能器和速度相關(guān)型消能器.剪切型軟鋼阻尼器作為位移相關(guān)型阻尼器的一種,可應(yīng)用于如下工程領(lǐng)域:新建結(jié)構(gòu),尤其是抗震設(shè)防烈度高的建筑、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、超限建筑等;既有建筑的加固改造;重點(diǎn)設(shè)防類結(jié)構(gòu)等.剪切型阻尼器通過鋼材的彈塑性變形來耗散地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量[4],其耗能機(jī)理可用式(1)所示的動(dòng)力學(xué)微分方程表示:

      式中,Ca表示附加阻尼,Ka表示附加剛度.

      腹板是剪切型阻尼器的核心耗能部件,一般由低屈服點(diǎn)鋼材(如LYP225,LYP160)制作而成.為獲得飽滿且穩(wěn)定的恢復(fù)力-位移滯回曲線,必須保證阻尼器腹板具有一定厚度,使其在彈性階段及彈塑性階段均不產(chǎn)生過大的面外屈曲.本文基于大型通用有限元軟件Abaqus 對(duì)剪切型軟鋼阻尼器進(jìn)行精細(xì)化分析,并重點(diǎn)研究腹板柔細(xì)比對(duì)阻尼器耗能效果的影響.

      1 有限元模型建立

      1.1 剪切型阻尼器的構(gòu)造

      剪切型軟鋼阻尼器一般與支撐相互連接組成耗能系統(tǒng)共同在結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮作用,常用的連接方式有V 字型(Vbrace)和墻型(Hbrace),如圖1所示.

      圖1 剪切型阻尼器常用支撐連接形式

      剪切型軟鋼阻尼器一般由耗能腹板、加勁肋、側(cè)翼緣及上下翼緣組成,如圖2 所示.

      圖2 剪切型阻尼器各組成部件

      1.2 腹板柔細(xì)比參數(shù)

      對(duì)剪切型阻尼器耗能效果影響最為顯著的參數(shù)為腹板柔細(xì)比Rw,文獻(xiàn)[5]中給出的建議取值為0.2 ≤Rw≤0.5.腹板柔細(xì)比以被加勁肋分割而成的“子剪切板”為研究對(duì)象,按式(2)和式(3)計(jì)算[6]:

      式中,a,b 分別為子剪切板的寬度和高度,ks為四邊簡支板受剪彈性屈曲系數(shù),t 為腹板厚度,τy為腹板所用軟鋼的抗剪屈服強(qiáng)度.

      1.3 Abaqus 建模方法

      采用通用有限元軟件Abaqus 中的Standard 模塊對(duì)剪切型軟鋼阻尼器進(jìn)行分析[7].阻尼器各部件均采用4 結(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元S4R 模擬,反復(fù)荷載下鋼材本構(gòu)采用混合強(qiáng)化模型.阻尼器在反復(fù)加載過程中會(huì)經(jīng)歷大變形過程,需要打開軟件的大變形開關(guān)Nlgeom,且應(yīng)引入初始缺陷.本文中的初始缺陷考慮1/1000 的初始面外變形,采用一致缺陷模態(tài)法模擬阻尼器腹板的最不利缺陷分布[8].具體實(shí)現(xiàn)過程為:首先求解結(jié)構(gòu)的彈性特征值屈曲問題,然后通過Abaqus 中的關(guān)鍵字“*IMPERFECTION”引入以最低階屈曲模態(tài)分布的初始缺陷,圖3 為剪切型阻尼器的最低階屈曲模態(tài).

      圖3 剪切型阻尼器第一屈曲模態(tài)

      圖4 剪切型阻尼器的加載制度

      2 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      2.1 不同柔細(xì)比阻尼器

      為研究不同腹板柔細(xì)比對(duì)阻尼器耗能效果的影響,本文設(shè)計(jì) 了Rw=0.20 ~1.00 共10 個(gè)試件.試件腹板均采用LYP225 級(jí)鋼,其余部位均采用Q345B 級(jí)鋼,腹板寬×高均為400mm×400mm,均不設(shè)置加勁肋,各試件情況詳見表1:

      表1 各阻尼器詳細(xì)參數(shù)

      SPD-7 5 0.70 260 SPD-8 4.5 0.78 234 SPD-9 4 0.88 208 SPD-10 3.5 1.00 182

      表1 中所列剪切型阻尼器的屈服位移可按式(4)計(jì)算:

      式中,h 表示阻尼器腹板高度.

      圖6 剪切型阻尼器Pcr/Py-Rw 曲線

      圖7 剪切型阻尼器腹板出平面變形

      圖8 剪切型阻尼器無量綱化骨架曲線對(duì)比

      2.2 數(shù)值模擬加載制度

      數(shù)值分析均以位移加載進(jìn)行控制,加載位移取阻尼器屈服位移的倍數(shù).本文中所取的倍數(shù)分別為0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍、3.0 倍、6.0 倍、9.0 倍、12.0倍、15.0 倍、18.0 倍、21.0 倍、24.0 倍、27.0 倍和30.0 倍,具體加載制度如圖4 所示.

      圖9 等效粘滯阻尼系數(shù)計(jì)算示意

      圖10 各阻尼器不同位移等級(jí)等效粘滯阻尼系數(shù)

      3 計(jì)算結(jié)果分析

      3.1 滯回曲線

      本文對(duì)Abaqus 模擬得到的滯回曲線進(jìn)行無量綱化處理,即橫坐標(biāo)采用屈服位移的倍數(shù)u/uy,縱坐標(biāo)采用屈服荷載的倍數(shù)P/Py.

      由圖5 中的滯回曲線可以看出,當(dāng)Rw≤0.40時(shí),滯回曲線飽滿,耗能能力強(qiáng),與阻尼器的結(jié)構(gòu)作用相匹配;當(dāng)0.4 <Rw≤0.5 時(shí),滯回曲線出現(xiàn)輕微的捏攏現(xiàn)象,工程中需慎重使用Rw在此范圍的阻尼器;當(dāng)Rw>0.5 時(shí),滯回曲線出現(xiàn)非常明顯的捏攏現(xiàn)象,已不適合于阻尼器的工程應(yīng)用.

      3.2 屈曲荷載與屈服荷載

      圖6 給出了本文所模擬的10 個(gè)阻尼器的“彈性屈曲荷載/屈服荷載-柔細(xì)比”關(guān)系曲線.

      由圖6 可知,雖然SPD-1 ~SPD-10 的Pcr/Py均大于1,但耗能效果差異較大.就本文所計(jì)算模型而言,Pcr/Py≥8.0 時(shí),耗能效果理想.

      3.3 阻尼器出平面變形

      剪切型阻尼器腹板的出平面變形可在一定程度上反應(yīng)阻尼器的耗能穩(wěn)定性,如圖7 所示.

      3.4 骨架曲線

      將各阻尼器首次加載曲線和滯回曲線上每次循環(huán)的峰值點(diǎn)連接起來可得到骨架曲線[9].圖8 給出了不同Rw 值的骨架曲線.

      水平加載位移較小時(shí),各阻尼器的骨架曲線基本重合;水平加載位移繼續(xù)增大時(shí),各阻尼器的骨架曲線出現(xiàn)明顯的差異,說明屈服之后過大的面外屈曲會(huì)明顯影響較小柔細(xì)比阻尼器的滯回耗能.

      3.5 等效粘滯阻尼系數(shù)

      等效粘滯阻尼系數(shù)he 為試件所耗散的能量與讓等效彈性體產(chǎn)生相同位移需要輸入的能量的比值,其具體定義參照?qǐng)D9 及式(5)[10].

      式中,Si為1 圈滯回曲線的面積.

      圖10 給出了各阻尼器等效粘滯阻尼系數(shù)的計(jì)算結(jié)果:

      等效粘滯阻尼系數(shù)可以較好的反映滯回曲線的飽滿程度,當(dāng)Rw≤0.40 時(shí),he 較大且無明顯的衰減;當(dāng)0.4 <Rw≤0.5 時(shí),he 仍能維持較高水平,但出現(xiàn)了明顯的衰減趨勢(shì);當(dāng)Rw>0.5 時(shí),he 出現(xiàn)較大程度的降低.

      4 結(jié) 論

      通過對(duì)10 個(gè)剪切型軟鋼阻尼器承受低周往復(fù)荷載下的數(shù)值模擬,得到以下結(jié)論:

      (1)通過合理的設(shè)計(jì),剪切型軟鋼阻尼器能具有較好的耗能效果,可成熟地應(yīng)用于消能減震結(jié)構(gòu)中;

      (2)滯回曲線、骨架曲線和等效粘滯阻尼系數(shù)可從不同角度評(píng)價(jià)阻尼器的耗能效果;

      (3)腹板柔細(xì)比∶ Rw 對(duì)阻尼器耗能效果影響顯著,Rw 越小,耗能效果越好;

      (4)為保證剪切型軟鋼阻尼器穩(wěn)定的耗能能力,建議腹板柔細(xì)比的取值范圍為Rw≤0.40.

      [1] Mitsuru Sugisawa,Hideji Nakamura.Development of Earthquake-Resistant ,Vibration Control,and Basic Isolation Technology for Building Structures[J].Nippon Steel Technical Report,1995,(66):37-46.

      [2] GB 50010-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [3] JGJ 297-2013.建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

      [4] 陳之毅,葛漢彬,宇佐美勉,袁勇.反復(fù)荷載作用下剪切板阻尼器的抗剪極限強(qiáng)度[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,02:219-225.

      [5] 陳之毅,葛漢彬,宇佐美勉,袁勇.剪切板阻尼器的滯回性能參數(shù)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,11:13-17.

      [6] 肖鵬.低屈服點(diǎn)剪切耗能板滯回性能研究[D].同濟(jì)大學(xué),2005.

      [7] 莊茁,由小川.基于ABAQUS 的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

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      [9] 馬穎,張勤,貢金鑫,等.鋼筋混凝土柱彎剪破壞恢復(fù)力模型骨架曲線[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(10):116-125.

      [10] 宋中霜.低屈服點(diǎn)鋼剪切板阻尼器耗能性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

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