Y型偏心支撐框架結(jié)構(gòu)滯回性能數(shù)值模擬

Y型偏心支撐框架結(jié)構(gòu)滯回性能數(shù)值模擬

劉文淵1冷捷1段文峰2

(1:南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院, 泰州225300;2:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118)

摘要：考察ANSYS軟件進(jìn)行Y型偏心支撐鋼框架的滯回性能的數(shù)值模擬的可行性.根據(jù)已有Y型偏心支撐鋼框架滯回性能試驗(yàn),分別建立梁殼模型、全殼模型、全實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)值分析.對(duì)比數(shù)值模型與試驗(yàn)的滯回性能曲線,分析數(shù)值模擬與試驗(yàn)得出的承載力、初始剛度、卸載剛度、剛度退化及耗能能力的差異.研究表明，在模擬承載力及剛度退化時(shí)采用全實(shí)體模型更為合適,模擬初始剛度、卸載剛度及耗能能力時(shí)采用梁殼模型更為合適.

關(guān)鍵詞：Y型偏心支撐；滯回性能；有限元；耗能能力

收稿日期：2015-03-13.

作者簡(jiǎn)介：劉文淵(1982～), 男, 江蘇省泰州市人,講師,碩士.

中圖分類號(hào)：TU 352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Numerical Analysis of Hysteretic Behavior of Y-shape

Eccentrically Braced Steel Frame

LIU Wen-yuan1，LENG Jie1，DUAN Wen-feng2

(1:TaizhouInstituteofScienceandTechnology,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Taizhou,China225300;

2:SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Verified the reliability of hysteretic behavior of Y-shape eccentrically braced steel frame using ANSYS software. Based on the hysteretic behavior test of Y-shape eccentrically braced steel frame,beam and shell model,shell model and solid model were constructed. The hysteretic curves of numerical model were compared with the experiment curves. The differences between finite element analysis and experiment on bearing capacity, initial stiffness, unloading stiffness, stiffness degradation and energy dissipation were analyzed. The results show that using solid model can be more suitable for bearing capacity and stiffness degradation,using beam and shell model can be more suitable for initial stiffness, unloading stiffness, stiffness degradation and energy dissipation.

Keywords:Y-shape eccentrically braced；hysteretic behavior；finite element model(FEM)；behavior of energy dissipation

1概述

強(qiáng)震作用下中心支撐易屈曲,支撐屈曲將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度及水平承載力急劇下降,使中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)耗能能力弱化,從而限制其在高烈度地區(qū)的應(yīng)用.問(wèn)井夫等[1]對(duì)中心支撐進(jìn)行改進(jìn),提出Y型偏心支撐的概念.設(shè)計(jì)時(shí)將耗能梁段設(shè)計(jì)為薄弱部位,迫使耗能梁段在強(qiáng)震作用下首先進(jìn)入塑性階段,而支撐及框架仍然保持彈性,從而避免支撐失穩(wěn).在多遇或設(shè)防地震水準(zhǔn)下,偏心支撐基本處于彈性狀態(tài)或剛剛屈服,這使得其抗側(cè)剛度與中心支撐框架結(jié)構(gòu)相當(dāng).在罕遇地震作用下,偏心梁段(又稱耗能梁段)充分發(fā)展塑性,耗散大量地震輸入能量.

國(guó)內(nèi)關(guān)于Y型偏心支撐框架的研究始于上個(gè)世紀(jì)90年代.于安麟[2]對(duì)EK,K,Y型支撐進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)研究.EK型及Y型支撐受剪腹板(耗能梁段處腹板)首先發(fā)生剪切屈服,能有效地阻止支撐桿件的屈曲且承載力無(wú)降低現(xiàn)象,滯回曲線也呈飽滿的紡錘型，而且Y型較EK型偏心支撐對(duì)橫梁的變形影響更小.趙寶成、顧強(qiáng)[3]采用自編有限元分析程序,梁、柱及支撐采用梁?jiǎn)卧?耗能梁段采用曲殼單元,采用了混合強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系,考慮幾何及材料非線性,對(duì)Y型偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行詳細(xì)分析.孟亮[4]采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行非線性分析,所有構(gòu)件均采用shell181殼單元,研究耗能段的長(zhǎng)度、腹板高度、腹板厚度對(duì)耗能能力的影響.趙曉敏[5]采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析,有限元模型建立時(shí)框架梁、柱及支撐采用beam188梁?jiǎn)卧?而耗能梁段及與梁相連的一小段段采用shell181殼單元,梁?jiǎn)卧c殼單元之間采用剛性梁相連.研究耗能梁段的長(zhǎng)度、耗能梁段腹板的高厚比、耗能支撐的布置等抗震性能的影響.閆月梅、郭秉山[6]采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行非線性分析,所有構(gòu)件均solid45實(shí)體單元,建立5個(gè)不同耗能梁段長(zhǎng)度的Y型偏心支撐鋼框架,對(duì)滯回性能與耗能梁段的耗能性能進(jìn)行分析.研究發(fā)現(xiàn)耗能梁段長(zhǎng)度對(duì)Y型偏心支撐鋼框架的強(qiáng)度、剛度、延性和耗能性能影響顯著.耗能梁段越短,其塑性變形越大,承載力越高;耗能梁段過(guò)長(zhǎng)的抗震性能較差.于安林、趙寶成等[7-8]對(duì)Y型偏心支撐鋼框架的低周往復(fù)加載試驗(yàn),研究耗能梁段腹板高厚比、耗能梁段長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)水平承載力、抗側(cè)剛度及耗能能力的影響.

本文將以于安林、趙寶成等[7-8]Y型偏心支撐鋼框架的低周往復(fù)加載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分別采用梁殼模型、全殼模型和全實(shí)體模型進(jìn)行滯回性能分析,并將結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì).分析不同有限元模型進(jìn)行Y型偏心支撐鋼框架滯回性能數(shù)值模擬的優(yōu)缺點(diǎn),為后續(xù)對(duì)Y型偏心支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究時(shí)合理的選擇有限元模型提供依據(jù).Y型偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)由框架、支撐、耗能梁段(偏心梁段)三部分組成見圖1.

圖1　Y型偏心支撐鋼框架　　　　　圖2Y型偏心支撐鋼框架幾何尺寸　　　　　圖3試驗(yàn)加載實(shí)況

2試驗(yàn)介紹

為對(duì)比不同單元類型建立有限元模型,模擬Y型偏心支撐鋼框架力學(xué)性能的可靠性.選取已有Y型偏心支撐鋼框架試驗(yàn)[7-8],采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬,分析結(jié)構(gòu)的滯回性能進(jìn)行驗(yàn)證.偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的幾何尺寸如圖2,構(gòu)件的截面尺寸見表1.為阻止耗能梁段腹板過(guò)早屈曲,在腹部位等間距增設(shè)2道加勁肋,加勁肋厚度8mm.組成構(gòu)件的各板材的材料力學(xué)性能參數(shù)[7-8]見表2.

表1　Y型偏心支撐鋼框架試件截面尺寸

表2　Y型偏心支撐鋼框架試件鋼材的力學(xué)性能

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌蚣苤_及支撐底部通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在剛型梁上,實(shí)現(xiàn)柱腳為剛接.每層梁、柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)置滾動(dòng)滑輪,約束框架的平面外,避免試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)平面外失穩(wěn).試件通過(guò)固定在反力墻上電液伺服作動(dòng)器的對(duì)框架頂層梁中心線施加，試驗(yàn)加載實(shí)況如圖3所示，對(duì)框架柱頂施加的水平往復(fù)荷載如圖4所示.

圖4　試驗(yàn)位移加載曲線　　　　　圖5隨動(dòng)強(qiáng)化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系　　　圖6梁?jiǎn)卧?、殼單元的連接示意

3有限元模型

為比較3種不同單元建立有限元模型進(jìn)行Y型偏心支撐框架結(jié)構(gòu)滯回性能的分析的差異性,下面介紹模型建立及分析過(guò)程中涉及的材料本構(gòu)的設(shè)置、單元類型、網(wǎng)格劃分、邊界及加載.

3.1材料本構(gòu)

在進(jìn)行滯回性能分析時(shí),各模型的本構(gòu)關(guān)系均采用考慮應(yīng)力強(qiáng)化的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型見圖5.雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型中的切線模量可定義為Es=(fu-fy)/(εu-εy),公式中的參數(shù)可根據(jù)表2的材性試驗(yàn)數(shù)值確定.對(duì)實(shí)體單元及殼單元根據(jù)各板件的材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算值分別進(jìn)行設(shè)置,而梁?jiǎn)卧∫砭壈寮牟男栽囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行梁?jiǎn)卧牧媳緲?gòu)設(shè)置.連接梁?jiǎn)卧蜌卧g的剛性梁材料本構(gòu)設(shè)為線彈性本構(gòu)，彈性模量為2.1×104GPa,泊松比取0.3.

3.2單元類型及網(wǎng)格劃分

梁殼模型中框架梁、柱及支撐采用beam188梁?jiǎn)卧?而耗能梁段及與梁相連的一小段段采用shell181殼單元,梁?jiǎn)卧c殼單元之間采用剛性梁相連如圖6所示.各構(gòu)件的交接面共節(jié)點(diǎn),用以模擬構(gòu)件間的剛性連接.殼單元采用四邊形映射網(wǎng)格,有限元模型見圖7.

全實(shí)體模型中所有構(gòu)件均采用solid185三維實(shí)體單元,該單元可用于模擬塑性、大變形、大應(yīng)變、超彈性等特性，應(yīng)用增強(qiáng)應(yīng)變算法解決單元的剪切自鎖現(xiàn)象.各構(gòu)件的交接面共節(jié)點(diǎn),用以模擬構(gòu)件間的剛性連接.耗能梁段及與耗能梁段連接的框架梁采用掃略六面體網(wǎng)格,其余均采用自由四面體網(wǎng)格,并通過(guò)單元網(wǎng)格細(xì)化的方法防止板件的單元?jiǎng)偠冗^(guò)大,劃分網(wǎng)格后的有限元模型見圖8.

全殼模型中所有構(gòu)件均采用shell181實(shí)單元,該單元具有應(yīng)力剛化、大變形及非線性功能,可用于薄至中等厚度的殼結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性問(wèn)題分析.各構(gòu)件的交接面共節(jié)點(diǎn),用以模擬構(gòu)件間的剛性連接.所有構(gòu)件均采用四邊形映射網(wǎng)格,劃分網(wǎng)格后的有限元模型見圖9.

圖7　梁殼模型　　　　　　　　　　　　圖8全實(shí)體模型　　　　　　　　　　　圖9全殼模型

3.3邊界條件及加載

按照試驗(yàn)的實(shí)際約束情況,對(duì)柱底及支撐下部施加固定約束,框架梁施加面外約束，并引入結(jié)構(gòu)的1階屈曲模態(tài)作為初始缺陷,結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)為耗能梁段腹板屈曲,因此缺陷幅值取為腹板短邊尺寸的1/1000.按照?qǐng)D4的試驗(yàn)時(shí)水平往復(fù)位移荷載曲線施加,梁殼模型位移荷載直接施加在頂層梁柱節(jié)點(diǎn)處,全實(shí)體模型、全殼模型將頂層梁柱節(jié)點(diǎn)處柱外側(cè)耦合位移方向自由度后施加位移荷載.因?yàn)槭┘拥奈灰坪奢d較大,將程序中大變形效應(yīng)開關(guān)打開,考慮結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)的影響.

4分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)各有限元模型進(jìn)行滯回分析,提取出各模型分析得出的頂點(diǎn)位移與底部水平承載力的滯回曲線,并分別與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比見圖10.

(a)梁殼模型　　　　　　　　　　　　　　　(b)全殼模型　　　　　　　　　　　　　　(c)全實(shí)體模型 圖10Y型偏心支撐鋼框架試驗(yàn)與數(shù)值模擬滯回曲線對(duì)比

由圖10可知,梁殼模型、全殼模型、全實(shí)體模型模擬獲得的滯回曲線均呈飽滿的梭形,實(shí)體模型與試驗(yàn)曲線整體上吻合最好,梁殼模型次之,全殼單元最差.全實(shí)體單元模型獲得的曲線的承載力與試驗(yàn)值最接近,梁殼模型次之,全殼單元最差.梁殼模型模擬的初始剛度、卸載剛度與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,實(shí)體單元模型、全殼單元效果稍差.全實(shí)體模型剛度退化與試驗(yàn)值較為接近,而梁殼模型、全殼模型剛度退化較試驗(yàn)值稍大.計(jì)算時(shí)間上梁殼模型最少,全殼模型次之,全實(shí)體模型最多.

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS有限元軟件,分別建立梁殼模型、全殼模型、全實(shí)體模型進(jìn)行Y型偏心支撐鋼框架的滯回性能分析.研究發(fā)現(xiàn)實(shí)體模型模擬的承載力與試驗(yàn)最為接近,但初始剛度及卸載剛度偏大;梁殼模型模擬承載力比試驗(yàn)值稍小,但初始剛度及卸載剛度較為接近;全殼單元模型模擬的承載力比試驗(yàn)值更小些,而且初始剛度及卸載剛度偏大.在計(jì)算時(shí)間允許的情況下研究承載力及剛度退化時(shí)采用實(shí)體模型較為合適;研究滯回耗能及結(jié)構(gòu)殘余變形時(shí)采用梁殼模型較為合適.

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