橋梁用三角形鋼板阻尼器恢復(fù)力模型的參數(shù)確定

劉騰飛 沈 星 葉愛(ài)君

1 引 言

金屬阻尼器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、滯回耗能能力好、形式多樣、堅(jiān)實(shí)耐用、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外廣泛研究的一種結(jié)構(gòu)耗能減震裝置[1,2]。在各種金屬阻尼器中，X形和三角形軟鋼阻尼器具有沿高度范圍內(nèi)各截面等厚度處同時(shí)屈服的優(yōu)點(diǎn)，因而很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并在建筑工程中得到了一定應(yīng)用[3,4]。

然而，三角形鋼板阻尼器在橋梁抗震中的研究和應(yīng)用還較少。同濟(jì)大學(xué)沈星、葉愛(ài)君等(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)：CN102953327A)以三角形鋼板為基本構(gòu)件，提出了新型的橋梁橫向鋼阻尼器，使得三角形鋼板阻尼器可以很方便地應(yīng)用于橋梁減震。在橋梁減隔震體系中，三角形鋼板阻尼器通常與活動(dòng)支座組合使用，對(duì)阻尼器本身的強(qiáng)度和位移能力有較高的要求，但設(shè)置空間有限。因此，在橋梁減震優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須要能較準(zhǔn)確而且方便地確定鋼阻尼器的力學(xué)參數(shù)。

三角形鋼板阻尼器一般采用雙線性恢復(fù)力模型[5]模擬其彈塑性性能，關(guān)鍵的力學(xué)參數(shù)包括屈服前剛度、等效屈服力、屈服后剛度和設(shè)計(jì)變形能力，而這些參數(shù)均要在得到鋼板從彈性到塑性破壞全過(guò)程的力-位移曲線后才能確定，而且鋼板進(jìn)入塑性階段后，應(yīng)力重分布非常復(fù)雜，應(yīng)變分布的均勻性也不符合理想狀態(tài)，其變形隨三角形板尺寸的變化規(guī)律也與彈性狀態(tài)有所不同?；谶@些原因，應(yīng)用彈塑性力學(xué)的基本理論推導(dǎo)就難以滿足橋梁減震設(shè)計(jì)的需求，而需要采用較為精確的板殼有限元方法來(lái)計(jì)算，這對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜了。

為了給橋梁工程界提供一個(gè)實(shí)用的簡(jiǎn)化估算鋼阻尼器彈塑性力學(xué)參數(shù)的方法，本文結(jié)合了彈塑性理論推導(dǎo)和有限元模擬分析的各自?xún)?yōu)勢(shì)展開(kāi)研究。首先從三角形鋼板阻尼器的工作原理出發(fā)，推導(dǎo)鋼板首次屈服力和首次屈服剛度的理論公式，然后，針對(duì)橋梁工程中可能的選型尺寸，基于ABAQUS有限元軟件，建立大量鋼板三維板殼模型，得到鋼板的雙線性恢復(fù)力模型曲線，重點(diǎn)研究了鋼板幾何尺寸對(duì)于鋼板的恢復(fù)力模型力學(xué)參數(shù)(屈服后剛度、等效屈服力和位移能力)的影響，并用線性統(tǒng)計(jì)回歸法處理各參數(shù)的數(shù)據(jù)，建立近似計(jì)算公式。最后對(duì)比有限元值和公式值，驗(yàn)證近似計(jì)算公式的正確性。

2 三角形鋼板首次屈服力、首次屈服剛度理論公式

三角形鋼板的底邊寬度為B，高度為H，鋼板厚度為t，三角形鋼板頂點(diǎn)處受到的水平力為F，離三角形鋼板頂點(diǎn)x處截面邊緣的應(yīng)力為

(1)

可見(jiàn)，三角形鋼板沿高度范圍內(nèi)各截面最外緣點(diǎn)的應(yīng)力相同。當(dāng)鋼板首次屈服時(shí)，σ恰好達(dá)到屈服應(yīng)力σy，根據(jù)彈性力學(xué)理論，臨界地震水平力即鋼板首次屈服力

(2)

此時(shí)，對(duì)應(yīng)的三角形鋼板的屈服曲率

(3)

對(duì)屈服曲率進(jìn)行兩次積分得到頂點(diǎn)的水平位移

(4)

根據(jù)式(2)和式(4)可以得到三角形鋼板各截面的首次屈服剛度

(5)

3 三角形鋼板恢復(fù)力模型參數(shù)確定方法

除鋼板的首次屈服剛度外，三角形鋼板阻尼器的其他力學(xué)參數(shù)采用較為精確的有限元模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)回歸計(jì)算公式，為此建立了大量不同幾何尺寸的鋼板模型進(jìn)行彈塑性有限元破壞分析，并得到了不同尺寸三角形鋼板的力—位移關(guān)系圖，進(jìn)而得到各模型的主要力學(xué)參數(shù)值，最后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，得到了各參數(shù)的近似計(jì)算公式。

3.1 三角形鋼板彈塑性性能有限元分析

3.1.1有限元計(jì)算模型

三角形鋼板的尺寸如圖1所示。材料為Q345鋼材，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系偏保守地采用理想彈塑性模型，如圖2所示。主要參數(shù)如下：彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比ν=0.3，屈服應(yīng)力σy=345 MPa，屈服應(yīng)變?chǔ)舮=0.001 683。而鋼材極限應(yīng)變?chǔ)舥的取值則與鋼阻尼器的最大位移能力直接相關(guān)?！兜秃辖鸶邚?qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[6]規(guī)定厚度6 cm以下的Q345鋼材的斷后伸長(zhǎng)率在20%以上，即Q345鋼材的斷裂應(yīng)變大于0.20。但在地震這種往復(fù)荷載作用下，鋼材的極限應(yīng)變?nèi)≈狄兴蹨p。文獻(xiàn)[7]給出了AASHTO規(guī)范中g(shù)rade 40(屈服應(yīng)力300 MPa)，鋼筋的有效極限應(yīng)變?yōu)?.122左右，而鋼材斷裂應(yīng)變?yōu)?.20，屈服應(yīng)變約為0.03。本文中，Q345鋼材的極限應(yīng)變?chǔ)舥偏保守地取為屈服應(yīng)變的40倍，即εu=0.067 32。

圖1 模型尺寸示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of model dimensions

圖2 鋼材本構(gòu)曲線Fig.2 Steel constitutive curve

單塊三角形鋼板的三維實(shí)體有限元模型(殼單元)如圖3所示，在有限元分析中利用短時(shí)間內(nèi)的頂點(diǎn)位移模擬地震作用，三角形鋼板底端固定，頂端自由。模擬分析完成后，提取時(shí)間歷程內(nèi)節(jié)點(diǎn)1處水平力和水平位移，提取節(jié)點(diǎn)2處Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)變。

3.1.2均勻性分析

理論上，三角形鋼板阻尼器的特點(diǎn)是：地震作用下，沿鋼板高度范圍內(nèi)，鋼板各截面同時(shí)屈服耗能，能夠充分利用鋼板的塑性變形能力，以實(shí)現(xiàn)最佳抗震效果。

圖3 邊界條件與網(wǎng)格劃分Fig.3 Boundary condition and mesh generation

但實(shí)際上，三角形鋼板的彈塑性性能并不能達(dá)到這么理想的效果。圖4所示分別為2個(gè)代表性幾何尺寸的模型在首次屈服時(shí)的應(yīng)力分布情況。圖5所示分別為2個(gè)代表性幾何尺寸的模型在鋼板破壞時(shí)的最大主應(yīng)變分布情況。

圖4 鋼板首次屈服時(shí)Mises應(yīng)力分布圖Fig.4 Mises stress distribution at steel plate first time yielding

通過(guò)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：在有限元分析中，首次屈服時(shí)不同尺寸模型的Mises應(yīng)力分布均勻性有很大差異，且與模型的寬高比B/H有關(guān)：B/H越大，應(yīng)力均勻性越差。這種情況與理論設(shè)想的“全截面屈服”有所不同。當(dāng)B/H在一定范圍時(shí)，可以保證大部分截面同時(shí)屈服，但是最后破壞時(shí)截面應(yīng)變的同步性很差。此外，鋼板達(dá)到位移能力時(shí)，不同模型的鋼板最大主應(yīng)變分布狀況相差不大，應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)2附近區(qū)域，與理論分析設(shè)想一致。但應(yīng)變分布均勻性在B/H接近1時(shí)，比B/H取其他值時(shí)有明顯改善。

從上述現(xiàn)象分析中，可以得出如下結(jié)論：三角形鋼板在大位移作用下，為獲得良好的鋼板屈服耗能效果，應(yīng)控制寬高比B/H在合理范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)大量鋼板模型的屈服時(shí)應(yīng)力圖和破壞時(shí)應(yīng)變圖分析，得到寬高比B/H的合理范圍為0.67～1.50。如果采用等強(qiáng)度梁理論進(jìn)行阻尼器初步設(shè)計(jì)，由于各截面應(yīng)力、應(yīng)變的不均勻性，會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算誤差，無(wú)法滿足工程需要。因而采用基于有限元方法計(jì)算阻尼器恢復(fù)力模型各力學(xué)參數(shù)是必要的。

3.1.3力—位移關(guān)系曲線

圖6所示為2個(gè)代表性幾何尺寸的三角形鋼板阻尼器模型的力—位移關(guān)系曲線。從圖6中可知：三角形鋼板阻尼器的力—位移曲線呈現(xiàn)明顯的“雙線性”，且有限元分析結(jié)果與基于等能量原理的雙線性模擬曲線具有很好的吻合效果。利用力—位移關(guān)系曲線，三角形鋼板恢復(fù)力模型的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)也可以容易地得到，為進(jìn)一步研究幾何尺寸對(duì)阻尼器恢復(fù)力參數(shù)的影響提供了方便。

Ky—首次屈服剛度；Kh—屈服后剛度；Feff—等效屈服力；Du—極限位移圖6 三角形鋼板阻尼器的力—位移曲線Fig.6 Force-displacement curve of the steel triangular plate damper

3.2 阻尼器恢復(fù)力模型參數(shù)的近似計(jì)算公式

在建立三角型鋼板有限元模型時(shí)，根據(jù)橋梁墩頂?shù)臉?gòu)造特點(diǎn)，選取了可能的金屬阻尼器尺寸：板寬B分別取0.4 m、0.5 m、0.6 m、 0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m；板高H分別取0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m；板厚t分別取0.01 m、0.02 m、0.03 m。根據(jù)不同尺寸的取值組合，共建立84個(gè)模型，得到各模型恢復(fù)力曲線，研究幾何尺寸對(duì)各力學(xué)參數(shù)的影響，并用線性統(tǒng)計(jì)回歸法得到各參數(shù)的近似計(jì)算公式，以便用于橋梁減震設(shè)計(jì)。

3.2.1鋼板的位移能力

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，橫向金屬阻尼器需要具有足夠的變形能力以適應(yīng)抗震的需要。本文偏安全地認(rèn)為三角形鋼板在地震力作用下，橫截面最外緣點(diǎn)最大主應(yīng)變達(dá)到40倍屈服應(yīng)變時(shí)，頂點(diǎn)水平位移達(dá)到極限值，此時(shí)節(jié)點(diǎn)1極限水平位移即為鋼板的位移能力。圖7給出了位移能力有限元分析值與鋼板尺寸的關(guān)系曲線。從圖7可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 板高對(duì)位移能力影響顯著，板高增大，位移能力迅速提高，位移能力隨板高線性增長(zhǎng)；

(2) 板寬對(duì)位移能力影響為板寬增大，位移能力緩慢變化(有升有降)；

(3) 板厚對(duì)位移能力影響為板厚增大，位移能力減小。

圖7 位移能力與鋼板尺寸關(guān)系曲線Fig.7 Relation between the displacement and steel plate dimension

統(tǒng)計(jì)所有尺寸鋼板的位移能力有限元分析值，并采用線性回歸法擬合，得到在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)三角形鋼板位移能力Du近似計(jì)算公式為

t=0.01 m，

Du=-106BH+90B+843H-101

(6a)

t=0.02 m，

Du=163BH-90B+387H+23

(6b)

t=0.03 m，

Du=-197BH+44B+545H-57

(6c)

式中，Du單位為mm；B，H單位為m。

3.2.2鋼板的屈服后剛度

《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)中條文說(shuō)明9.24提出：地震作用下，為控制減隔震裝置發(fā)生過(guò)大的位移，除要求提供減隔震裝置阻尼外，同時(shí)要求減隔震裝置具有一定的屈服后剛度，提供自恢復(fù)力。因而三角形鋼板阻尼器應(yīng)具有足夠的屈服后剛度。圖8給出了鋼板屈服后剛度有限元分析值與鋼板尺寸的關(guān)系曲線。從圖8可以看出：

(1) 板高對(duì)鋼板屈服后剛度的影響顯著：板高越大，屈服后剛度迅速越小，屈服后剛度與板高平方近似成反比。

(2) 板寬對(duì)鋼板屈服后剛度的影響：板寬越大，屈服后剛度越大，屈服后剛度隨板寬增大，近似呈線性增長(zhǎng)。

(3) 板厚對(duì)鋼板屈服后剛度的影響：板厚增加，屈服后剛度迅速提高，屈服后剛度與板厚平方近似成正比。

圖8 屈服后剛度與鋼板尺寸關(guān)系曲線Fig.8 Relation between the post yield stiffness and steel plate dimension

統(tǒng)計(jì)有限元分析中所有尺寸鋼板的屈服后剛度，并采用線性回歸法擬合數(shù)據(jù)，得到在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)，鋼板的屈服后剛度近似計(jì)算公式：

(7)

式中，B，H，t單位為m。

3.2.3鋼板的等效屈服力

在利用三角形鋼板阻尼器進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板的等效屈服力是很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。其余條件確定時(shí)，等效屈服力越小，鋼阻尼器耗能越早，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用越強(qiáng),但為滿足橋梁正常使用狀態(tài)約束的需求，金屬阻尼器的等效屈服力也不宜太小，一般可控制在固定支座噸位的10%左右。圖9給出了三角形鋼板等效屈服力的有限元分析值與鋼板幾何尺寸的關(guān)系曲線。從圖9可得以下規(guī)律：

(1) 板高對(duì)等效屈服力影響為：板高增大，等效屈服力迅速減小，等效屈服力與板高近似成反比。

(2) 板寬對(duì)等效屈服力影響顯著，板寬越大，等效屈服力越大，等效屈服力與板寬近似成正比關(guān)系。

(3) 板厚對(duì)等效屈服力影響顯著，板厚增大，等效屈服力迅速增大，等效屈服力與板厚的平方近似成正比。

圖9 等效屈服力與鋼板尺寸關(guān)系圖Fig.9 Relation between the equivalent yield force and steel plate dimension

根據(jù)等效屈服力隨鋼板尺寸的變化規(guī)律，本文對(duì)式(4)進(jìn)行修正得到等效屈服力Feff在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)的近似計(jì)算公式，其中γ=1.3是采用線性回歸法對(duì)等效屈服力有限元分析數(shù)據(jù)擬合得到的。

(8)

3.3 各參數(shù)近似計(jì)算公式的正確性驗(yàn)證

鋼板阻尼器恢復(fù)力模型參數(shù)的近似計(jì)算式(6)、式(7)、式(8)都是應(yīng)用線性回歸法對(duì)有限元數(shù)據(jù)分析得出的。線性回歸法對(duì)于數(shù)據(jù)的良好性有較高要求，而且有參數(shù)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。為滿足工程中的應(yīng)用，必須對(duì)近似計(jì)算式(6)、式(7)、式(8)進(jìn)行驗(yàn)證，保證近似計(jì)算的穩(wěn)定性和可靠性。

(1) 圖10的計(jì)算結(jié)果表明：在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)，利用式(6)得到的位移能力值與有限元數(shù)據(jù)相比，除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，誤差均在-5%～5%之間。式(6)可以很好地吻合位移能力的有限元數(shù)據(jù)。

(2) 圖11計(jì)算結(jié)果表明：在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)，式(7)與有限元分析數(shù)據(jù)可以很好地吻合：除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，公式值與有限元分析值誤差均在-12%～12%之間。

(3) 圖12計(jì)算結(jié)果表明：在建議寬高比范圍內(nèi)(0.67～1.5)，式(8)與有限元分析數(shù)據(jù)可以很好地吻合：除去個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，公式值與有限元分析值誤差均在-10%～10%之間。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)三角形鋼板阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中恢復(fù)力模型力學(xué)參數(shù)的確定問(wèn)題，首先基于彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)了鋼板首次屈服剛度理論公式。然后采用有限元方法，建立大量不同尺寸鋼板模型進(jìn)行鋼板破壞的彈塑性分析，得到各模型力—位移曲線，并用線性回歸方法確定了各力學(xué)參數(shù)的近似計(jì)算公式，最后對(duì)公式的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。本文主要結(jié)論如下：

圖10 位移能力公式值與有限元值誤差Fig.10 Displacement capacity comparison between empirical formula and FEM analysis

圖11 屈服后剛度公式值與有限元值誤差Fig.11 Post yield stiffness comparison betweenempirical formula and FEM analysis

圖12 等效屈服力公式值與有限元值誤差Fig.12 Equivalent yield force comparison between empirical formula and FEM analysis

(1) 鋼板的應(yīng)力均勻性與寬高比B/H有關(guān)。B/H越大，應(yīng)力均勻性越差。為較好發(fā)揮鋼材屈服耗能能力，建議三角形鋼板寬高比B/H限制在0.67～1.5。

(2) 有限元分析結(jié)果表明，尺寸的變化對(duì)于三角形鋼板阻尼器各參數(shù)的影響非常顯著。

(3) 本文中給出的首次屈服剛度理論公式以及其他各力學(xué)參數(shù)近似計(jì)算公式，很好地反映了不同參數(shù)隨鋼板尺寸變化的規(guī)律。與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，各公式可以滿足工程中的精度要求。

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