多階段屈服U形金屬阻尼器抗震性能研究

王德斌,王英豪,趙漢濤

(1.大連交通大學 土木工程學院,遼寧 大連 116028; 2.中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102)

現(xiàn)有消能減震結(jié)構(gòu)往往通過附加耗能構(gòu)件耗散地震輸入的大部分能量,該方法能夠有效降低主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和損傷。金屬阻尼器以其力學模型簡單、滯回性能穩(wěn)定、抗疲勞性能良好、制造安裝方便等優(yōu)勢,在實際工程中得到廣泛應(yīng)用和推廣[1]。

金屬阻尼器能夠為結(jié)構(gòu)提供附加剛度和阻尼,有效降低結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移響應(yīng)。Zibasokhan等[2]提出了一種純彎曲變形金屬阻尼器,該阻尼器具有穩(wěn)定的滯回、變形性能,耗能能力優(yōu)異。Deng等[3]提出了設(shè)置加勁板的剪切型金屬阻尼器,該阻尼器能夠在低位移水平下實現(xiàn)剪切耗能,加勁板的設(shè)置提升了阻尼器的防屈曲能力,耗能能力得到顯著提高。王德斌等[4]基于扭轉(zhuǎn)變形機制提出了一種具有多截面屈服,應(yīng)力、應(yīng)變分布均勻的新型扭轉(zhuǎn)鋼管阻尼器,將其應(yīng)用于支撐鋼框架,展示了較好的減震控制效果。程揚等[5]將矩形剪切鋼板與U形鋼板進行并聯(lián)組合,提出了一種具有多階段屈服特點的金屬阻尼器,該阻尼器能夠在不同強度的地震作用下實現(xiàn)分階段屈服的耗能目標。吳山等[6]采用不同尺寸的鋼條作為耗能構(gòu)件,提出了具有多階段屈服和失效特性的金屬套管阻尼器。

目前金屬阻尼器在研究和應(yīng)用中仍存在以下問題:①現(xiàn)有金屬阻尼器往往針對中大震進行性能設(shè)計,難以在低位移水平下的彈性狀態(tài)實現(xiàn)耗能[7-8];②部分剪切型金屬阻尼器雖能在低位移水平下實現(xiàn)屈服耗能,高位移水平下則強度退化明顯,難以達到結(jié)構(gòu)更高的耗能需求;③單一破壞階段的金屬阻尼器,耗能組件發(fā)生破壞后,阻尼器迅速失效,無法滿足后續(xù)地震作用下結(jié)構(gòu)的耗能需求[9]。

基于上述分析,本文提出了一種具有多階段屈服和失效特點的U形金屬阻尼器。給出了該阻尼器的基本構(gòu)造、工作機理和恢復(fù)力模型,采用Abaqus軟件對其滯回性能、耗能能力和破壞過程進行了分析,通過對比有限元模擬結(jié)果和恢復(fù)力模型,驗證了恢復(fù)力模型的準確性。

1 阻尼器基本構(gòu)造和理論模型

1.1 基本構(gòu)造和工作機理

本文設(shè)計的多階段屈服U形金屬阻尼器構(gòu)造見圖1。該阻尼器由具有不同尺寸參數(shù)的上下和前后對稱布置的U形耗能鋼板及內(nèi)部加載軸桿、外部約束套筒所組成,U形鋼板中部截取部分平直段長度,采用焊接的形式固結(jié)于約束套筒和加載軸桿之上。U形鋼板在外荷載作用下發(fā)生滾動彎曲變形并進行屈服耗能,其屈服截面隨位移的變化不斷移動,形成多截面屈服的變形特點,能夠有效提升耗能鋼板的抗疲勞性能。

(a) 阻尼器整體構(gòu)造

阻尼器尺寸參數(shù)見圖2。通過調(diào)整阻尼器U形鋼板A、B的尺寸,實現(xiàn)低位移水平下U形鋼板A率先發(fā)生屈服,此時阻尼器的受力和耗能主要由U形鋼板A承擔。在高位移水平下U形鋼板A發(fā)生破壞,承載能力和耗能能力下降,此時U形鋼板B發(fā)生屈服,并充分發(fā)揮其變形能力強、抗疲勞性能好的優(yōu)勢,完成后續(xù)承載工作。

(a) 側(cè)視圖

本文共設(shè)計3種阻尼器工況,試件1僅對稱布置U形鋼板A,試件2僅對稱布置U形鋼板B,試件3則由試件1和2組合,前后和上下分別對稱布置U形鋼板A和B,進而實現(xiàn)多階段屈服耗能,各工況下試件的具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 阻尼器U形鋼板尺寸參數(shù) mm

1.2 恢復(fù)力模型

阻尼器的屈服荷載、初始剛度、屈服后剛度和極限荷載作為阻尼器的重要力學性能指標,對其理論恢復(fù)力模型的建立極其重要。本文單個雙U形阻尼器的全截面屈服荷載Fy、初始剛度K1和屈服后剛度K2、等效屈服位移δy、極限荷載Fu表達式[10]為:

(1)

(2)

K2=αK1

(3)

(4)

Fu=βFy

(5)

式中:ω為U形鋼板寬度;σy為U形鋼板材料屈服強度;t為U形鋼板厚度;d為U形鋼板圓弧段內(nèi)側(cè)直徑;μ為初始剛度修正系數(shù);E為材料彈性模量;α為雙U形鋼板屈服后剛度與初始剛度之比;β為雙U形鋼板極限荷載與屈服荷載之比。

以阻尼器受拉時的荷載-位移曲線和剛度變化為例,其在不同加載階段的力學模型見圖3。阻尼器各加載階段下兩組U形鋼板的變形相同,U形鋼板A和U形鋼板B屬并聯(lián)關(guān)系, 其力學模型是由兩者力學性能指標的線性疊加所組成。阻尼器剛度的變化主要經(jīng)歷三個不同的受力階段。

OA段,阻尼器開始加載至U形鋼板A屈服前,此時0<δ≤δy1。U形鋼板B并未發(fā)生屈服,其剛度和承載力計算表達式為:

δy1=δyA,K1=2(K1A+K1B),F=K1δ

(6)

Fy1=FyA+K1BδyA

(7)

AB段,阻尼器U形鋼板A屈服后至U形鋼板B屈服前,此時δy1<δ≤δy2。阻尼器剛度和承載力計算表達式為:

δy2=δyB,K2=2(K2A+K1B),F=K2δ

(8)

Fy2=Fy1+K2(δyB-δyA)

(9)

BC段,阻尼器U形鋼板B屈服后直至加載至最大荷載Fmax之前,此時δy2<δ≤δmax。阻尼器剛度和承載力計算表達式為:

K3=2(K2A+K2B),F=K3δ

(10)

2 阻尼器有限元模型

本文基于Abaqus軟件建立阻尼器有限元模型,約束套筒在不影響阻尼器力學性能的情況下采用一體式建模,阻尼器各部件均采用八節(jié)點線性六面體減縮積分實體單元(C3D8R),U形鋼板A和B與加載軸桿、約束套筒均采用Tie綁定連接,加載軸桿受力端建立參考點RF并與其端部進行剛體耦合,位移荷載施加于參考點RF之上,初始加載幅值為5 mm,并以5 mm作為位移增量,直至加載至40 mm完成加載,各級幅值均往復(fù)循環(huán)加載兩周。約束套筒、加載軸桿單元尺寸為20 mm,U形鋼板單元尺寸細化取5 mm。阻尼器有限元模型見圖4。

圖4 阻尼器有限元模型

阻尼器有限元模型中,加載軸桿、外部約束套筒采用Q345鋼,整個加載過程中始終處于線彈性狀態(tài)。U形耗能鋼板采用Q235級鋼,屈服強度σy為235 MPa,彈性模量E為206 GPa,泊松比ν為0.3,采用隨動強化本構(gòu)模型,強化階段彈性模量為0.01E。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 滯回性能

各工況下阻尼器滯回曲線見圖5,各試件滯回曲線飽滿、穩(wěn)定。從圖5可以看出,試件1和2的屈服位移和極限位移均存在一定差異,試件1屈服位移較低,隨著位移的增大其變形已由滾動彎曲屈服轉(zhuǎn)換為拉伸變形, 承載力顯著提高, 即將發(fā)生拉伸破壞,限于軟件中材料難以反映阻尼器下降段特征,依據(jù)其變形發(fā)展趨勢可判定試件1總體變形破壞過程。而試件2不論在高位移還是低位移下均展現(xiàn)出了穩(wěn)定的變形性能,并未出現(xiàn)明顯的承載力提升現(xiàn)象,仍處于滾動彎曲屈服狀態(tài),高位移水平下展現(xiàn)出穩(wěn)定的變形能力和耗能能力。

(a) 試件1

試件3滯回曲線則結(jié)合試件1和2兩者的力學性能差異,承載力值為試件1和2之和,其能夠?qū)崿F(xiàn)低位移水平下的屈服耗能,又能確保高位移水平下具有一定的變形和耗能能力,滿足結(jié)構(gòu)的大變形需求。同時從曲線可以看出,在加載后期阻尼器承載力顯著提升,可見該阻尼器不僅能夠滿足高位移水平下的耗能需求,又能依靠基于彎曲變形向拉伸變形轉(zhuǎn)換的U形耗能鋼板滿足大震下結(jié)構(gòu)更高的承載力需求。

3.2 耗能性能

等效黏滯阻尼比是構(gòu)件耗能能力的重要評價指標,圖6給出了不同工況下試件的等效阻尼比隨位移幅值的變化曲線?？梢钥闯?各試件的等效黏滯阻尼比在加載初期迅速增大,加載后期則展現(xiàn)出不同的變化特征。試件1在加載后期等效黏滯阻尼比迅速下降,耗能能力明顯降低,其原因主要是隨著變形的增大U形鋼板變形由彎曲向拉伸轉(zhuǎn)換進而受拉破壞,耗能能力顯著降低。而試件2具有較強的變形能力,在加載后期并未發(fā)生明顯破壞,其等效黏滯阻尼比下降速度平穩(wěn),仍能有效吸收外部能量。試件3的等效黏滯阻尼比變化特征介于試件1和2之間,同時具備兩者的變形、耗能優(yōu)勢,既能在低位移水平下完成高耗能,又能確保在大位移下仍具備良好的耗能能力。

圖6 不同工況下試件的等效阻尼比隨位移幅值的變化曲線

3.3 破壞過程

圖7給出了試件3在位移幅值下U形鋼板的等效塑性應(yīng)變云圖。可以看出,塑性應(yīng)變主要發(fā)生在U形鋼板平直段和圓弧過渡段。在加載至δ=5 mm幅值時,U形鋼板A已展現(xiàn)出顯著的塑性變形,而U形鋼板B屈服區(qū)域極其有限,等效塑性應(yīng)變值較低。隨著位移幅值的進一步增大,U形鋼板A的屈服區(qū)域明顯向弧形板一側(cè)延伸,塑性變形區(qū)域明顯增加,多個截面均處于高塑性變形區(qū),此時U形鋼板B塑性變形區(qū)域同樣進一步擴展。在δ=20 mm時,U形鋼板A已出現(xiàn)由彎曲屈服向受拉變形轉(zhuǎn)換,形成整截面屈服的變化趨勢,而U形鋼板B仍具有顯著變形能力,其U形板上下表面并未發(fā)生屈服,可見其能夠滿足結(jié)構(gòu)的大變形需求,進而使阻尼器能夠?qū)崿F(xiàn)多階段屈服耗能。

(a) δ=5 mm

4 恢復(fù)力模型驗證

圖8給出了試件3數(shù)值模擬和理論力學模型的荷載-位移滯回曲線和骨架曲線的對比結(jié)果。可以看出,理論力學模型給出的三折線模型與數(shù)值模擬得到的荷載-位移滯回曲線基本吻合,驗證了理論力學模型的準確性。阻尼器設(shè)計過程中,可以針對不同結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計需求,依據(jù)本文給出的不同加載階段的直線表達式實現(xiàn)不同地震強度下阻尼器的承載力、剛度和變形設(shè)計要求。

圖8 阻尼器模擬和理論模型結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文基于U形鋼板的力學性能特點提出了一種多階段屈服金屬阻尼器,給出了其三折線力學模型,通過數(shù)值模擬研究了阻尼器的主要力學性能,得到以下結(jié)論:

(1)該多階段屈服金屬阻尼器由2種不同尺寸參數(shù)的雙U形鋼板并聯(lián)而成,能夠在不同強度下進行分階段屈服耗能,實現(xiàn)多級設(shè)防水準下的結(jié)構(gòu)抗震理念;阻尼器滯回曲線飽滿,具有良好的耗能能力。

(2)低位移水平下高承載力U形鋼板率先發(fā)生屈服并進行耗能,其塑性變形區(qū)域擴展迅速,高位移水平下其變形機制由彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)槔觳l(fā)生破壞,此時低承載力U形鋼板作為主要耗能部件進行耗能。

(3)兩類U形鋼板在低位移水平下等效黏滯阻尼比均迅速增大,隨著位移的增大低承載力U形鋼板等效黏滯阻尼比迅速減小,耗能能力降低,而高承載力U形鋼板的等效黏滯阻尼比平穩(wěn)下降,具有更加穩(wěn)定的耗能能力。

(4)基于Abaqus軟件建立了阻尼器有限元模型,模擬得到滯回曲線與給出的分階段三折線力學模型基本吻合,該力學模型能夠很好地反映阻尼器的主要性能指標,可依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同強度設(shè)計要求完成阻尼器的尺寸參數(shù)設(shè)計。