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    軸向力對(duì)剪切鋼板阻尼器抗震性能影響的數(shù)值模擬

    2024-06-21 00:00:00方慶田王照然寧西占

    收稿日期:20231212

    通信作者:寧西占(1987),男,副教授,博士,主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與混合試驗(yàn)的研究。Email:xzning@hqu.edu.cn。

    基金項(xiàng)目:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2020D14); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51908231); 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020J01058); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(ZQN912)

    摘要:采用數(shù)值模擬的方式,對(duì)軸向力作用的剪切鋼板阻尼器的抗震性能進(jìn)行研究,設(shè)定5組不同的剪切鋼板阻尼器,以探究高寬比和高厚比對(duì)阻尼器的影響,同時(shí)提出兩種軸向自由的新型剪切鋼板阻尼器。結(jié)果表明:軸向力對(duì)阻尼器抗震性能產(chǎn)生不利影響,使腹板更容易發(fā)生局部屈曲且屈曲程度更大,有必要做防屈曲措施;當(dāng)高寬比、高厚比增大時(shí),屈服荷載、極限荷載、初始剛度及屈服后剛度顯著降低;當(dāng)腹板高度保持不變時(shí),增大腹板寬度或厚度,可有效改善阻尼器的抗震性能。

    關(guān)鍵詞:剪切鋼板阻尼器; 有限元分析; 抗震性能; 軸向力

    中圖分類(lèi)號(hào):TU 392.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):10005013(2024)02020109

    抗震設(shè)計(jì)不僅考慮結(jié)構(gòu)在地震中的性能,還兼顧震后的疏散和恢復(fù)能力[1]。剪切鋼板阻尼器[2](下文簡(jiǎn)稱(chēng)阻尼器)構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力傳力清晰、耗能能力強(qiáng),在較多工程抗震的設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用[3]。文獻(xiàn)[45]研究發(fā)現(xiàn),剪切腹板寬厚比和加勁肋會(huì)影響阻尼器的面外屈曲變形和承載力。文獻(xiàn)[68]通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)的方法,研究國(guó)產(chǎn)低屈服鋼剪切鋼板阻尼的滯回耗能性能,并推導(dǎo)相關(guān)的理論公式。文獻(xiàn)[9]針對(duì)常規(guī)阻尼器提出了3種防止平面外屈曲的方案,并推導(dǎo)相關(guān)理論公式。文獻(xiàn)[10]提出純剪型和彎剪型防屈曲阻尼器,并通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析方法驗(yàn)證其抗震性能。針對(duì)剪切型金屬阻尼器應(yīng)力集中和焊接區(qū)的熱應(yīng)力影響問(wèn)題,文獻(xiàn)[11]提出一種形狀優(yōu)化的裝配式剪切型金屬阻尼器,通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證其力學(xué)性能,并指出軸力會(huì)對(duì)剪切型金屬阻尼器帶來(lái)不利影響。文獻(xiàn)[12]提出一種新型豎向波紋剪切阻尼器,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其抗震性能。文獻(xiàn)[13]通過(guò)試驗(yàn)研究阻尼器腹板的屈曲和滯回性能,并指出需進(jìn)一步研究高軸壓力對(duì)阻尼器的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)的方法研究應(yīng)用于消能阻尼器的抗震性能,發(fā)現(xiàn)阻尼器在加載的過(guò)程中存在軸向效應(yīng),且軸向變形和軸向力對(duì)阻尼器性能可能產(chǎn)生影響。

    在實(shí)際工程中,隨著結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展,阻尼器勢(shì)必會(huì)承受軸向力,但已有研究主要關(guān)注阻尼器在剪切荷載作用下的性能,較少對(duì)軸向力開(kāi)展研究。基于此,本文就軸向力對(duì)阻尼器抗震性能影響數(shù)值模擬進(jìn)行研究。

    1減震框架中阻尼器性能

    1.1結(jié)構(gòu)概況

    為得到阻尼器在實(shí)際工程中軸向力的變化規(guī)律,根據(jù)現(xiàn)行GB 55006-2021《鋼結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[15],設(shè)計(jì)一棟鋼框架結(jié)構(gòu),首層的層高為4.8 m,其余層的層高為3.6 m,跨度為6.6 m,柱、梁采用Q345鋼,首層框架柱的箱型截面尺寸為500 mm×500 mm×18 mm,首層梁的工字型截面尺寸為300 mm×588 mm×10 mm×16 mm。根據(jù)蔡振等[16]的設(shè)計(jì),阻尼器構(gòu)造,如圖1所示。圖1中:腹板采用Q235鋼,尺寸為300 mm×300 mm×8 mm;翼緣和端板采用Q345鋼,尺寸分別為300 mm×150 mm×16 mm和980 mm×300 mm×30 mm;h為腹板厚度;bw為腹板寬;tw為腹板厚。為便于分析,僅選取結(jié)構(gòu)首層安裝阻尼器的一跨為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)的樓面恒活荷載均為6 kN·m-2。

    1.2分析模型與加載制度

    框架有限元模型,如圖2所示。框架有限元模型采用大型商業(yè)ABAQUS有限元軟件模擬。為提高計(jì)算效率,框架中柱采用可變形的三維線單元進(jìn)行模擬;梁則根據(jù)阻尼器的位置劃分成3部分,其中,與阻尼器接觸部分采用可變形的三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,其余部分采用可變形的三維線單元進(jìn)行模擬,并以線單元梁的端點(diǎn)為控制點(diǎn)、實(shí)體單元梁截面為控制面,采用連續(xù)分布耦合的約束方式定義其接觸行為。阻尼器各部件采用可變形的三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,各實(shí)體單元間均采用綁定連接定義其接觸行為;線單元選用兩結(jié)點(diǎn)空間線性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,實(shí)體單元選用8節(jié)點(diǎn)6面體線性減縮積分單元。

    方便起見(jiàn),忽略連接阻尼器的支撐,將阻尼器下連接端板底面和框架柱底部端點(diǎn)設(shè)為固定端,即約束所有方向上的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;在實(shí)體梁?jiǎn)卧斆嬷行脑O(shè)置參考點(diǎn)與頂面耦合,并對(duì)參考點(diǎn)施加加載方向外所有方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

    鋼材的本構(gòu)模型選用多線性各向同性強(qiáng)化模型,彈性模量E=0.206 TPa,泊松比μ=0.3,鋼材塑性本構(gòu)模型參數(shù)[817],如表1所示。表1中:ε為塑性應(yīng)變;σ為應(yīng)力。模型采用位移控制的加載模式,并以阻尼器的剪切角作為控制值。剪切加載制度,如圖3所示。圖3中:φ為剪切角;δ為剪切位移;L為步長(zhǎng)。

    1.3剪切鋼阻尼器

    提取阻尼器下連接端板上所有結(jié)點(diǎn)的豎向反力,并對(duì)其求和,可獲得阻尼器在加載過(guò)程中所受的軸向荷載。阻尼器軸向力(P),如圖4所示。圖4中:縱坐標(biāo)的正值為軸向拉力;負(fù)值為軸向壓力。當(dāng)步長(zhǎng)小于25(剪切角小于0.02 rad)時(shí),阻尼器處于受壓狀態(tài),且軸向力基本恒定,最大軸向壓力為282.6 kN;隨著剪切角增大,阻尼器軸向力開(kāi)始呈現(xiàn)一定的波動(dòng),軸向壓力逐漸減小,并在步長(zhǎng)大于46(剪切角為0.08 rad第2個(gè)循環(huán))開(kāi)始出現(xiàn)軸向拉力;阻尼器的軸向力隨著分析步的增長(zhǎng)在軸向拉力和軸向壓力間切換,且隨步長(zhǎng)的增加,軸向力的浮動(dòng)范圍也在增加;在步長(zhǎng)為71(剪切角為0.14 rad)時(shí),阻尼器的軸向拉力(324.1 kN)達(dá)到最大。阻尼器滯回曲線,如圖5所示。

    由圖5可知:在加載初期,軸向力相對(duì)恒定,剪切位移較小,滯回曲線比較飽滿(mǎn);當(dāng)剪切位移增加到24 mm(步長(zhǎng)大于43)時(shí),阻尼器腹板開(kāi)始發(fā)生局部屈曲,滯回曲線在回歸零點(diǎn)的過(guò)程中出現(xiàn)“捏縮”現(xiàn)象,軸向力變化浮動(dòng)開(kāi)始變大,軸向力由壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫εc拉力交替出現(xiàn),且隨剪切位移的增大,軸向拉力逐漸增大;阻尼器的最大承載能力先降低,后逐漸增加,這主要是由于在受壓時(shí)阻尼器腹板屈曲,在承受拉力時(shí),阻尼器的屈曲得以改善,進(jìn)而使承載力增大。因此,實(shí)際工作中的阻尼器的軸向力處于拉、壓變動(dòng)狀態(tài),大多時(shí)候處于受壓狀態(tài),且拉力有助于改善剪切腹板的屈曲形態(tài)。

    2軸向壓力對(duì)阻尼器的影響

    2.1模型概況

    阻尼器有限元模型采用與框架中阻尼器相同的本構(gòu)參數(shù)和接觸行為。為模擬實(shí)際試驗(yàn)中加載的邊界條件,將阻尼器的下連接端板底面設(shè)為固定端,即約束所有方向上的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;在上連接端板頂面中心設(shè)置參考點(diǎn)與頂面耦合,并對(duì)參考點(diǎn)施加加載方向外所有方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束。阻尼器有限元模型,如圖6所示。

    基于剪切腹板高寬比(h/bw)和高厚比(h/tw)的變化,共設(shè)計(jì)5組試件。參考文獻(xiàn)[1820]對(duì)阻尼器的相關(guān)設(shè)計(jì)及文獻(xiàn)[21]設(shè)置的加勁肋保障耗能性能(當(dāng)剪切腹板高寬比大于1時(shí)),阻尼器采用不設(shè)置加勁肋的形式。表2為試件的尺寸。翼緣尺寸為300 mm×150 mm×16 mm,端板尺寸為980 mm×300 mm×30 mm。

    阻尼器軸向受壓作用以力控制方式實(shí)現(xiàn),施加的軸向荷載以框架中阻尼器最大軸向壓力(Fy=282.6 kN)為基準(zhǔn),并考慮了0,0.5和1.0倍的軸向壓力。剪切荷載的加載制度與框架的剪切加載制度一致。

    2.2變形形態(tài)

    不同軸向壓力的應(yīng)力云圖及腹板局部屈曲示意圖,如圖7,8所示。圖8中:δB為屈曲位移。

    (a) 0Fy最終狀態(tài)(b) 0.5Fy最終狀態(tài)(c) 1.0Fy最終狀態(tài)

    (a) 0Fy最終狀態(tài)(b) 0.5Fy最終狀態(tài)(a) 1.0Fy最終狀態(tài)

    由圖7,8可知:0Fy最終狀態(tài)的阻尼器腹板的局部屈曲集中在對(duì)角線上,而有軸向壓力的阻尼器腹板的局部屈曲主要出現(xiàn)在中心處;0.5Fy和1.0Fy最終狀態(tài)應(yīng)力的最大值為656.2,667.2 MPa,與0Fy相比(647.4 MPa)分別增加了1.4%和3.1%;0.5Fy和1.0Fy最終狀態(tài)屈曲位移的最大值為67.44,74.07 mm,與無(wú)軸向壓力相比(41.25 mm)分別增加了63.5%和79.6%。上述分析表明,軸向壓力對(duì)阻尼器的受力形態(tài)產(chǎn)生了較大影響,會(huì)加大腹板局部屈曲程度,可使阻尼器提前發(fā)生破壞。

    2.3滯回曲線

    試件D1滯回曲線,如圖9所示。圖9中:F為承載力。由圖9可知:0Fy和0.5Fy的承載力在剪切位移為30 mm(剪切角為0.10 rad)循環(huán)下開(kāi)始下降,而1.0Fy的阻尼器承載力在剪切位移為24 mm(剪切角為0.08 rad)循環(huán)下開(kāi)始下降;3種軸向壓力的滯回曲線均出現(xiàn)了不同程度的捏縮現(xiàn)象。上述分析表明,阻尼器的滯回性能受軸向壓力影響顯著,且軸向壓力越大,阻尼器的承載能力下降越明顯,也越容易提前進(jìn)入極限荷載狀態(tài)而發(fā)生破壞。

    2.4骨架曲線

    采用Park法[22]計(jì)算了試件D1在不同軸向壓力下的屈服荷載。試件D1骨架曲線,如圖10所示。由圖10可知:試件D1骨架的3種軸向壓力曲線總體呈先上升后下降的趨勢(shì);0.5Fy和1.0Fy的屈服荷載分別為330.4,329.2 kN,與0Fy相比(330.8 kN)相差不大;0.5Fy和1.0Fy的極限荷載分別為519.3,496.9 kN,與0Fy相比(524.5 kN)分別降低了1.0%和5.3%(1.0Fy達(dá)到極限荷載的剪切角為0.06 rad,而0Fy和0.5Fy的剪切角為0.08 rad時(shí)才達(dá)到極限荷載)。上述分析表明,與屈服荷載相比,軸向壓力對(duì)極限荷載的影響程度更明顯,且會(huì)導(dǎo)致阻尼器提前達(dá)到極限荷載狀態(tài)。

    2.5剛度退化

    試件D1剛度退化,如圖11所示。圖11中:k為剛度。由圖11可知:剛度退化隨剪切位移的增大逐步降低,且剛度退化在加載初期較為明顯,但隨剪切位移的增大,剛度下降趨于緩和;隨著軸向壓力的增大,在相同剪切位移時(shí)阻尼器的剛度逐漸減小。

    為便于分析,定義屈服后剛度為滯回曲線上最后一級(jí)加載峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剛度。經(jīng)計(jì)算,試件D1在0.5Fy和1.0Fy的初始剛度分別為611.9,609.6 kN·mm-1,與0Fy相比(612.6 kN·mm-1)分別降低了0.1%和0.5%;0.5Fy和1.0Fy的屈服后剛度分別為9.4,8.3 kN·mm-1,與0Fy(10.3 kN·mm-1)相比分別降低了8.7%和19.4%。上述分析表明,與初始剛度相比,軸向壓力對(duì)屈服后剛度的影響程度更明顯。

    2.6耗能能力

    耗能能力反映了阻尼器在循環(huán)荷載作用下消耗能量的能力,主要從累積耗能(E)和等效粘滯阻尼系數(shù)(ξ)兩方面進(jìn)行評(píng)估。試件D1累積耗能,如圖12所示。由圖12可知:隨剪切位移的增大,試件耗能逐步增加;與0Fy相比,0.5Fy和1.0Fy的累積耗能分別增長(zhǎng)了2.9%和降低了1.7%,表明軸向壓力對(duì)阻尼器累積耗能能力影響不大。

    試件D1等效粘滯阻尼系數(shù),如圖13所示。由圖13可知:隨著剪切位移的增大,試件D1等效粘滯阻尼系數(shù)逐漸增大;在相同的剪切位移下,隨著軸向壓力的增大,試件D1等效粘滯阻尼系數(shù)越大。

    3阻尼器參數(shù)

    3.1高寬比

    不同高寬比阻尼器在0.5Fy時(shí)的性能曲線,如圖14所示。

    (a) 滯回曲線(b) 骨架曲線

    (c) 剛度退化曲線(d) 等效粘滯阻尼系數(shù)

    由圖14(a)可知:隨著高寬比的增加,滯回環(huán)所圍面積減小,表明高寬比對(duì)阻尼器的滯回曲線產(chǎn)生了影響。由圖14(b)~(d)可知:阻尼器的承載力、剛度隨著高寬比的增大而減小,而等效粘滯阻尼系數(shù)受高寬比的影響較小。

    不同高寬比阻尼器軸向壓力的性能對(duì)比,如表3所示。表3中:FY為屈服荷載;Fu為極限荷載;k0為初始剛度;ky為屈服后剛度。由表3可知:阻尼器的屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度隨高寬比的增大而減??;在0.5Fy時(shí),與高寬比為0.5相比,高寬比為1.5的屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度分別降低了74.4%,66.1%,74.4%,64.2%,在1.0Fy時(shí),屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度分別降低了74.4%,65.6%,74.4%,36.1%。由上述分析可知,在不同軸向壓力下,高寬比對(duì)阻尼器的抗震性能影響顯著;當(dāng)高度不變時(shí),增大腹板寬度,使高寬比小于0.5,滯回曲線相對(duì)飽滿(mǎn),耗能效果較好,剛度和承載力增加明顯。

    3.2高厚比

    不同高厚比阻尼器在0.5Fy時(shí)的性能曲線,如圖15所示。由圖15(a)可知:隨高厚比的增加,滯回曲線的捏縮現(xiàn)象越來(lái)越明顯,滯回環(huán)所圍面積減小,表明高厚比對(duì)阻尼器的滯回曲線產(chǎn)生了影響。由圖15(b)~(d)可知:阻尼器的屈服強(qiáng)度、承載力和剛度隨著高厚比的增大而減??;等效粘滯阻尼系數(shù)隨高厚比的增大,先是變化不大.隨后迅速減小,且高厚比越大,等效粘滯阻尼系數(shù)下降得越快。

    (a) 滯回曲線(b) 骨架曲線

    (c) 剛度退化曲線(d) 等效粘滯阻尼系數(shù)

    不同高厚比阻尼器在軸向壓力作用下的性能對(duì)比,如表4所示。由表4可知:隨高厚比的增大,阻尼器的屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度均減小;與高厚比為30.0相比,高厚比為50.0在0.5Fy時(shí),屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度分別降低了38.9%,40.8%,35.7%,47.5%,在1.0Fy下,屈服荷載、極限荷載、初始剛度和屈服后剛度分別降低了38.9%,41.3%,35.7%,64.2%。由上述分析可知,在相同軸向壓力下,高厚比對(duì)阻尼器的抗震性能影響顯著,當(dāng)高厚比小于30.0時(shí),耗能效果較好,剛度和承載能力增加明顯。

    4消除軸向壓力影響的建議措施

    軸向壓力使阻尼器腹板更容易發(fā)生局部屈曲且屈曲程度更大,傳統(tǒng)的阻尼器設(shè)計(jì)方法不足以保證其良好的性能。結(jié)合實(shí)際工程中,阻尼器的軸向壓力伴隨結(jié)構(gòu)的變形而變化,結(jié)合三角鋼板阻尼器[23],軸向自由構(gòu)造裝置分解圖,如圖16所示。第一種構(gòu)造措施由上下限位板、中連接端板構(gòu)成,其中,上、下限位板間可產(chǎn)生豎向相對(duì)位移但無(wú)水平相對(duì)位移;第二種構(gòu)造措施由限位板、T型連接件和中連接端板組成,其中,T型連接件與上連接板固結(jié),但可與限位板有豎向相對(duì)位移。通過(guò)將該裝置與阻尼器相連,當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向變形時(shí),阻尼器通過(guò)上限位板(T型連接件)在下限位板(限位板)內(nèi)自由移動(dòng),可以避免阻尼器產(chǎn)生軸向壓力,從而使耗能腹板處于無(wú)軸向壓力的剪切狀態(tài),改善阻尼器的抗震性能。

    5結(jié)束語(yǔ)

    對(duì)軸向力下的阻尼器的抗震性能進(jìn)行研究,并討論高寬比和高厚比的影響。研究表明,考慮軸向壓力時(shí),剪切腹板更容易發(fā)生局部屈曲且屈曲程度更大,因此,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)阻尼器設(shè)計(jì)方法不足以保證其良好的性能。阻尼器的初始剛度和整體耗能能力受軸向壓力影響較小,但極限荷載和屈服后承載力隨軸向壓力的增加而降低。當(dāng)阻尼器高度給定時(shí),腹板寬度和厚度對(duì)阻尼器抗震性能影響較大,增大腹板寬度或厚度,可有效改善阻尼器的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。因此,有必要在阻尼器設(shè)計(jì)時(shí)考慮軸向壓力的影響,或采用可釋放軸向約束的新型剪切金屬阻尼器。

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    (責(zé)任編輯: "陳志賢英文審校: 方德平)

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