帶金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

黎浩宇， 左 嘯， 陳 崢

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410008 )

0 引言

近百年來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了多場(chǎng)大型地震，最著名的有1976年河北唐山7.8級(jí)地震、2008年四川汶川8級(jí)地震和2010年青海玉樹(shù)地震，這些地震給我國(guó)帶來(lái)了慘重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。研究顯示，在地震作用下倒塌的建筑中，塑性鉸數(shù)量主要出現(xiàn)在柱端，因其不能有效地消耗地震產(chǎn)生的能量，造成變形過(guò)于集中[1]。而要消除“梁鉸”破壞，僅僅按照規(guī)范進(jìn)行“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

為了提高框架結(jié)構(gòu)的延性，可在框架結(jié)構(gòu)中附加金屬阻尼器。金屬阻尼器是一種位移型的阻尼器，具有較好的滯回性能[2]。若應(yīng)用于框架中，在地震作用下，金屬阻尼器是整個(gè)結(jié)構(gòu)的“排頭兵”，可以通過(guò)耗散地震能量，保護(hù)主體不受損傷。本文利用OpenSees有限元軟件，建立附加金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)分析模型。主要分析了附加金屬阻尼器框架結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的抗震性能，并開(kāi)展了阻尼器不同布置位置、彈性模量的參數(shù)分析，研究成果可為金屬阻尼器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)概況

1.1 框架結(jié)構(gòu)

某平面二維框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，該框架結(jié)構(gòu)為二維兩層兩開(kāi)間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其總高度為7.2 m。該場(chǎng)地設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙類別為B類?？蚣芎愫奢d為1.5 kN/m2，活荷載為2.0 kN/m2，根據(jù)規(guī)范[3-4]和軟件YJK對(duì)此框架進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，具體梁、柱尺寸以及配筋圖如圖2所示。其中梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱筋均為HRB335?；炷梁弯摻畹奈锢韰?shù)分別見(jiàn)表1和表2。

圖1 某平面二維框架結(jié)構(gòu)(單位： m)

圖2 梁、柱配筋圖(單位： cm)

表1 混凝土物理參數(shù)構(gòu)件材料彈性模量Ec/MPa坍落度/mmFcu/MPa泊松比vC30混凝土3.25×1049034.480.195

表2 鋼筋物理參數(shù)鋼筋類別彈性模量Es/MPa屈服強(qiáng)度/MPa直徑/mm箍筋(HRB335)2.0×105248.214

2 OpenSees簡(jiǎn)化模型建立及加載

2.1 框架的模擬

框架的模擬主要包含單元和本構(gòu)材料的選擇以及邊界條件的模擬。本文所設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)只考慮梁和柱，對(duì)梁柱單元的模擬均采用分布塑性鉸纖維單元(Force Beam Column Element)，梁的長(zhǎng)度和柱的高度依據(jù)框架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行特殊處理，直接進(jìn)行固接，柱的邊界條件為底部固結(jié)。

在OpenSees有限元數(shù)值仿真中，梁柱纖維截面采用“fiberSection”進(jìn)行定義，截面纖維主要包括混凝土纖維和鋼筋纖維，本文分別選用Concrete02混凝土材料本構(gòu)和Steel02鋼筋材料本構(gòu)，同時(shí)考慮箍筋的約束作用[5]。

2.2 金屬阻尼器的模擬

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6]開(kāi)展了大量的金屬阻尼器擬靜力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明金屬阻尼器的滯回特性可看作隨動(dòng)強(qiáng)化的雙折線滯回關(guān)系，并且在往復(fù)位移作用下會(huì)出現(xiàn)等向強(qiáng)化特性，這與OpenSees中Steel01鋼材本構(gòu)的滯回特性相符合。Steel01鋼材本構(gòu)為雙折線本構(gòu)，應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)骨架曲線如圖3所示。本文采用OpenSees中twoNodeLink單元配合Steel01鋼材本構(gòu)模擬金屬阻尼器。

圖3 Steel01鋼材應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線

在OpenSees中Steel01鋼材本構(gòu)的模型代碼為：uniaxialMaterial (‘Steel01’， $matTag， Fy， E0， b， a1， a2， a3， a4)。其中，matTag表示材料編號(hào)；Fy表示抗壓強(qiáng)度；E0表示彈性模量。

2.3 附加金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)有限元模型

前文介紹了框架結(jié)構(gòu)和金屬阻尼器的模擬方法以及相應(yīng)的參數(shù)取值，圖4為附加金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)有限元模型以及邊界條件。以下在進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，以此模型為對(duì)照組模型，金屬阻尼器的取值如表3所示。

圖4 有限元模型

表3 金屬阻尼器參數(shù)取值Fy/kNE0/(kN·mm-1)ba1a2a3a410 100 0.020.2550.755

3 不同參數(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

3.1 金屬阻尼器布置方式的影響

阻尼器的布置方式對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的抗震性能具有一定的影響[5]，因此本文分成以下3種情況來(lái)進(jìn)行研究(見(jiàn)圖5、圖6)，分別取模型編號(hào)為JF1、JF2、JF3。

由圖6a的滯回曲線可知，JF1模型的承載力為81.80 kN，JF2和JF3模型的承載力一致，為90.55 kN，造成第1種布置方式承載力不足的原因主要是整體結(jié)構(gòu)采用的是不對(duì)稱形式，而第2種和第3種布置方式則是對(duì)稱的，在往復(fù)荷載作用下，更有利于結(jié)構(gòu)受力。由圖6b骨架曲線可知，模型JF1屈服位移為82.547 mm，模型JF2和JF3的屈服位移為90.125 mm，可以得出，對(duì)稱布置阻尼器更有利于提高框架結(jié)構(gòu)的屈服位移。

本文采用等效粘滯阻尼系數(shù)來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的耗能能力，圖6c為3個(gè)模型中等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點(diǎn)位移的變化關(guān)系，由圖可知3個(gè)模型的等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點(diǎn)位移增加呈增大趨勢(shì)，模型JF1在其主要階段的等效粘滯阻尼系數(shù)均大于相同位移下的JF2和JF3，模型JF1最大等效粘滯阻尼系數(shù)為3.59、模型JF1和JF2最大等效粘滯阻尼系數(shù)分別為0.44、0.43。圖6d為3個(gè)模型的剛度退化曲線，本文采用割線剛度描述結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的剛度退化情況，由圖可知，3個(gè)模型在初期剛度退化較快，隨著位移增加，試件剛度退化逐漸變緩。JF1剛度退化稍快于模型JF2和JF3，模型JF2和JF3剛度退化規(guī)律一致。

圖5 不同金屬阻尼器布置方式

圖6 不同布置方式滯回性能分析

3.2 金屬阻尼器彈性模量的影響

在附加金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，金屬阻尼器的參數(shù)取值對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有一定影響。因此，本文取彈性模量分別為50 、100 、200 kN/mm的附加阻尼器框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)荷載作用，研究結(jié)構(gòu)的滯回性能(見(jiàn)表4、圖7)。

由圖7a滯回曲線可知，JF-E0、JF-E02、JF-E03模型的承載力分別為88.40、90.55、97.384 kN，可以明顯看出隨著彈性模量增大，結(jié)構(gòu)承載力隨之提高;隨著金屬阻尼器彈性模量增加，結(jié)構(gòu)滯回環(huán)面積有一定增加。由圖7b骨架曲線可知，JF-E01、JF-E02、JF-E03模型的屈服位移分別為84.257、90.125、92.687 mm，金屬阻尼器彈性模量的增加會(huì)適當(dāng)提高框架結(jié)構(gòu)的屈服位移。

表4 金屬阻尼器的彈性模量取值kN·mm模型JF-E01JF-E02JF-E03彈性模量50 100200

圖7 不同參數(shù)的框架結(jié)構(gòu)滯回性能分析

圖7c為3個(gè)模型中等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點(diǎn)位移的變化關(guān)系，由圖可知3個(gè)模型的等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點(diǎn)位移增加呈增大趨勢(shì)，3個(gè)模型最大等效粘滯阻尼系數(shù)分別為0.46、0.45、0.42。隨著金屬阻尼器彈性模量增加，結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)的耗能能力越差。圖6d為3個(gè)模型的剛度退化曲線，由圖可知，3個(gè)模型在初期剛度退化較快，隨著位移增加，試件剛度退化逐漸變緩，3個(gè)模型的剛度退化規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

在提高框架結(jié)構(gòu)抗震性能中，金屬阻尼器的布置方式和參數(shù)取值是建設(shè)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)利用OpenSees建立附加金屬阻尼器的有限元簡(jiǎn)化模型以及有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 由金屬阻尼器不同布置方式的滯回性能可知，對(duì)稱布置的金屬阻尼器相比于不對(duì)稱布置，結(jié)構(gòu)的承載力更高、屈服位移更大、受力性能更好，但豎向不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)耗能能力更強(qiáng)。

2) 隨著金屬阻尼器彈性模量增加，結(jié)構(gòu)的承載力、屈服位移以及等效粘滯系都有一定提高。說(shuō)明阻尼的彈性模量越大，結(jié)構(gòu)的抗震性能，耗能效果越好，但剛度退化規(guī)律基本一致。