開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器抗震性能研究

白潔BAI Jie；王強(qiáng)WANG Qiang；邱威威QIU Wei-wei；楊帆YANG Fan；劉蘊(yùn)文LIU Yun-wen；閆玉翟YAN Yu-di

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

阻尼器按照耗能變形方式主要分為剪切型阻尼器和彎曲型阻尼器。剪切型阻尼器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、初始剛度大、耗能能力良好等特點(diǎn)，在消能減震結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常見(jiàn)的剪切型阻尼器主要由軟鋼或者低碳鋼制作而成，其耗能原理是在水平荷載的作用下，鋼板阻尼器發(fā)生面內(nèi)剪切塑性變形進(jìn)而消耗地震產(chǎn)生的能量。

Seki[1]首先提出了剪切型鋼板阻尼器，其構(gòu)造由腹板、翼緣、端板組成，腹板為耗能板，利用腹板和翼緣鋼材的剪切塑性變形消耗能量。隨后，聶建國(guó)[2]對(duì)剪切型鋼板阻尼器的初始剛度、承載力、耗能性能以及延性展開(kāi)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼板角部面外屈曲顯著，且存在撕裂現(xiàn)象，滯回曲線(xiàn)捏縮現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題，孔子昂[3]等學(xué)者試圖在鋼板表面開(kāi)設(shè)不同形式的孔洞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開(kāi)孔可使鋼板應(yīng)力分布均勻，減小鋼板角部的應(yīng)力集中和面外屈曲，但是鋼板角部還存在嚴(yán)重的面外屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼板的耗能曲線(xiàn)產(chǎn)生捏縮。Tanaka[4]通過(guò)設(shè)置加勁肋來(lái)抑制內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法可在一定程度上抑制鋼板的面外屈曲，但是焊接處存在焊接殘余應(yīng)力，極易發(fā)生撕裂破壞。郭彥林[5]提出防屈曲鋼板剪力墻，在鋼板兩側(cè)設(shè)置約束混凝土板，混凝土板只承受內(nèi)嵌鋼板的擠壓作用，不承擔(dān)水平剪力作用。結(jié)果得出，防屈曲鋼板剪力墻相比于普通鋼板剪力墻可明顯改善其耗能能力，但是鋼板角部還存在較為嚴(yán)重的面外屈曲。金雙雙[6]對(duì)內(nèi)部鋼板開(kāi)斜縫外部約束為混凝土板的組合形式的防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行研究，結(jié)果表明將二者進(jìn)行組合具有良好的耗能能力，但是該構(gòu)件鋼板角部還存在著一定的面外屈曲，同時(shí)開(kāi)斜縫構(gòu)造復(fù)雜，不利于制作施工。

基于上述鋼板在承受水平荷載作用的過(guò)程中，在彎矩和剪力共同作用下，角部存在應(yīng)力集中產(chǎn)生的面外屈曲問(wèn)題。本文將鋼板開(kāi)孔與外部防屈曲相結(jié)合，提出一種開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬研究鋼板開(kāi)孔、面外約束對(duì)阻尼器內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲、應(yīng)力分布及耗能能力的影響。

1 開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器的提出

本文提出的開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器主要由內(nèi)嵌開(kāi)孔鋼板、外部約束混凝土板以及螺栓組成，內(nèi)嵌鋼板通過(guò)角鋼和螺栓與結(jié)構(gòu)梁的上下翼緣板進(jìn)行連接。該阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)單可適用于在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，并便于后期的維護(hù)更換。翼緣板在承受水平荷載作用時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)嵌鋼板發(fā)生剪切塑性變形，進(jìn)而消耗地震產(chǎn)生的能量。為提高阻尼器耗能能力，在內(nèi)嵌鋼板中部開(kāi)設(shè)均勻圓孔，通過(guò)削弱鋼板中部的面積使應(yīng)力分布均勻，改善鋼板角部的面外屈曲。

2 有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證利用有限元軟件Abaqus 進(jìn)行有限元分析的正確性，基于文獻(xiàn)[7]對(duì)已有純鋼板剪力墻試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬分析。文獻(xiàn)中純鋼板剪力墻尺寸為1200×1100mm，厚度為2.75mm，鋼材為Q235 鋼，鋼板與框架上下梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓和角鋼進(jìn)行連接，底梁通過(guò)錨固螺栓與地面進(jìn)行錨固。試驗(yàn)中采用電液伺服加載裝置對(duì)試件進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)。

2.1 有限元模型建立

有限元模型嚴(yán)格按照文獻(xiàn)中所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模分析。鋼板采用殼單元進(jìn)行建模。將鋼板與框架梁端之間的接觸認(rèn)為完全固結(jié)，忽略螺栓滑移對(duì)其耗能性能的影響，在內(nèi)嵌鋼板頂部和底部分別設(shè)定耦合其位移的參考點(diǎn)。按照試驗(yàn)的邊界條件約束鋼板底部參考點(diǎn)的平動(dòng)自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并按照試驗(yàn)加載制度在頂部參考點(diǎn)進(jìn)行水平位移往復(fù)加載。

2.2 鋼材本構(gòu)模型

對(duì)于鋼材國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的本構(gòu)模型，包括理想彈塑性模型、雙折線(xiàn)模型以及三折線(xiàn)模型等。其中，雙折線(xiàn)的隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以反映往復(fù)加載過(guò)程中材料的包辛格效應(yīng)，能夠較好地描述鋼材的力學(xué)性能。故本文中鋼材選用雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。按照試驗(yàn)材性測(cè)試，鋼材彈性模量為215083MPa、泊松比為0.31、屈服強(qiáng)度為294MPa以及極限強(qiáng)度為429MPa。

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將有限元模擬分析所得的鋼板頂部位移—荷載滯回曲線(xiàn)以及面外變形分布與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1、圖2所示?？梢钥闯瞿M所得的阻尼器承載力、加卸載剛度、滯回曲線(xiàn)形狀與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且面外變形分布也基本相同，其中角部存在嚴(yán)重的面外屈曲變形。模擬結(jié)果能夠較好反映試件在加載過(guò)程角部面外屈曲造成滯回曲線(xiàn)的捏縮現(xiàn)象。有限元分析得出的滯回曲線(xiàn)相比于試驗(yàn)結(jié)果略微飽滿(mǎn)，因?yàn)橛邢拊治鍪窃诶硐霠顟B(tài)下進(jìn)行的，忽略了試驗(yàn)過(guò)程中螺栓滑移、人為干擾因素以及外部構(gòu)件加工等因素影響。根據(jù)有限元模擬結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以得出有限元數(shù)值模擬可以較好地反映真實(shí)試驗(yàn)的受力情況。

圖1 結(jié)果曲線(xiàn)對(duì)比

圖2 面外變形對(duì)比

3 開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器有限元模擬

本節(jié)采用有限元軟件Abaqus 對(duì)開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器在單調(diào)加載以及往復(fù)加載情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其應(yīng)力分布以及面外屈曲情況，并與純鋼板阻尼器以及開(kāi)孔型鋼板阻尼器進(jìn)行對(duì)比分析。試件鋼板尺寸為1200×1500mm，厚度為8mm，鋼材取Q235，采用雙折線(xiàn)隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量為200000MPa、泊松比為0.3、屈服強(qiáng)度為235MPa 以及極限強(qiáng)度為360MPa。混凝土板厚度為40mm，強(qiáng)度等級(jí)C30，混凝土本構(gòu)采用混凝土塑性損傷模型?？紤]到制作加工精度，外部約束混凝土板與內(nèi)嵌鋼板初始間隙取為3mm。

3.1 單調(diào)加載情況下應(yīng)力變形分析

在水平單調(diào)加載位移至30mm（試件高度/50）時(shí)，純鋼板阻尼器、開(kāi)孔型鋼板阻尼器以及開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器的Mises 應(yīng)力分布以及面外屈曲變形結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。

圖3 應(yīng)力分布對(duì)比

圖4 面外變形對(duì)比

由圖3 可知，純鋼板阻尼器的最大應(yīng)力達(dá)到了349.6MPa，高應(yīng)力區(qū)主要集中在鋼板角部，鋼板大部分沒(méi)有進(jìn)入屈服。開(kāi)孔型鋼板最大應(yīng)力降低了12%，鋼板中部應(yīng)力有所提高，應(yīng)力分布較為均勻。開(kāi)孔型防屈曲鋼板最大應(yīng)力降低了20%，高應(yīng)力區(qū)由角部擴(kuò)展至鋼板中部，鋼板面積約80%進(jìn)入屈服，應(yīng)力分布明顯均勻。開(kāi)孔型防屈曲鋼板最大應(yīng)力的降低能夠提高阻尼器的抗疲勞性能，減輕內(nèi)嵌鋼板角部的撕裂破壞。

由圖4 可知，純鋼板阻尼器在角部區(qū)域發(fā)生較大面外變形，且最大變形為46.42mm。開(kāi)孔型鋼板面外變形分布相對(duì)分散，最大變形為42.99mm。開(kāi)孔型防屈曲鋼板在外部約束混凝土板的約束下，面外位移較小，最大面外位移僅為3.89mm，面外變形集中現(xiàn)象得到明顯改善。鋼板中部開(kāi)孔減緩了鋼板角部的面外屈曲，有利于降低對(duì)約束混凝土板以及約束螺栓的剛度要求，而約束混凝土板可有效抑制內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲。

3.2 往復(fù)加載情況下滯回性能分析

在水平往復(fù)加載位移至30mm（試件高度/50）時(shí)，純鋼板阻尼器、開(kāi)孔型鋼板阻尼器以及開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器的滯回曲線(xiàn)結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，三種阻尼器具有相近的初始剛度、屈服位移和屈服荷載，且屈服位移較小，約為試件高度的1/500。加載位移較?。ㄐ∮?mm）階段，滯回曲線(xiàn)形狀基本一致，這表明開(kāi)孔和約束板對(duì)阻尼器的小位移階段性能幾乎沒(méi)有影響。隨著加載位移的增加，純鋼板和開(kāi)孔鋼板的承載力出現(xiàn)強(qiáng)度退化現(xiàn)象，滯回曲線(xiàn)存在明顯的捏縮，其中開(kāi)孔型鋼板滯回曲線(xiàn)趨緩：而開(kāi)孔型防屈曲鋼板承載力呈穩(wěn)定上升，滯回曲線(xiàn)呈飽滿(mǎn)的梭形，且卸載階段明顯大于其余二者。

圖5 滯回曲線(xiàn)對(duì)比

圖6為三種阻尼器加載位移幅值與單圈滯回面積的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯鲈诩虞d位移較?。ㄐ∮?mm）階段，三種阻尼器耗能能力基本一致，隨著加載位移的增大，純鋼板和開(kāi)孔鋼板的耗能能力緩慢增加，而開(kāi)孔型防屈曲鋼板的耗能能力增長(zhǎng)明顯。當(dāng)加載位移達(dá)到30mm 時(shí)，開(kāi)孔型防屈曲鋼板的耗能能力約為其余二者的2.6 倍。這是由于將開(kāi)孔和防屈曲相結(jié)合，使得鋼板的應(yīng)力分布較為均勻、面外屈曲受到抑制，材料塑性耗能能力得以充分發(fā)揮。

圖6 單圈滯回面積對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出一種開(kāi)孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬研究鋼板開(kāi)孔、面外約束對(duì)阻尼器內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲、應(yīng)力分布及耗能能力的影響。得出如下結(jié)論：

①純鋼板阻尼器在承受水平荷載作用時(shí)，角部產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中和面外變形，滯回曲線(xiàn)產(chǎn)生明顯的捏縮現(xiàn)象。②通過(guò)在鋼板中部進(jìn)行開(kāi)孔可降低鋼板角部的最大應(yīng)力，使鋼板中部應(yīng)力有所提高，且應(yīng)力分布均勻，同時(shí)減小了鋼板角部的面外變形，耗能能力有所提高。③在鋼板兩側(cè)添加約束混凝土板可有效抑制內(nèi)嵌鋼板面外屈曲，高應(yīng)力區(qū)由角部擴(kuò)展至鋼板中部，鋼板面積約80%進(jìn)入屈服，應(yīng)力分布明顯均勻，滯回曲線(xiàn)呈明顯梭形，耗能能力較好。