單文彥，陳　云，2*

(1.海南大學 土木建筑工程學院，?？?570228；2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

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連梁保險絲非線性仿真分析

單文彥1，陳云1，2*

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

摘要：連梁保險絲通常設置在聯(lián)肢剪力墻中，在強震時通過其屈服耗散地震能量，震后方便對受損的連梁保險絲進行修復或更換。本文研發(fā)了一種新型的連梁保險絲，即在低屈服點工字型鋼的腹板開設菱形空洞，增大保險絲的屈服區(qū)域。首先對其進行了材料性能試驗，然后基于ABAQUS有限元程序，建立了連梁保險絲的實體有限元模型，對其進行了精細仿真分析。計算結果與試驗結果對比表明，計算模型可以較好地模擬保險絲的變形、屈服順序及其滯回曲線和骨架曲線。因此這種模擬方法對類似保險絲的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義。

關鍵詞：連梁；連梁保險絲；仿真分析；試驗

引文格式：單文彥，陳云，等.連梁保險絲非線性仿真分析[J].森林工程，2016，32(1)：83-86.

0引言

目前可用于連梁的保險絲種類甚多，很多阻尼器都可作為可更換連梁保險絲。可更換連梁保險絲除了應當具備較強的耗能能力之外，還應具有足夠的強度和剛度以及耐久性要求。保險絲的剛度主要是滿足連梁在小震作用下應當保持彈性的要求。保險絲的強度是連梁對墻肢提供約束彎矩大小的依據(jù)，保險絲的強度越大，連梁對墻肢提供的約束彎矩越大，但保險絲的強度一定要合理，因為保險絲先于墻肢縱筋屈服，才能實現(xiàn)保護墻肢安全的目的。

連梁保險絲還應具備造價低廉、連接方便和設計概念清晰的優(yōu)點。因為保險絲除了耗能的作用外，其受力狀態(tài)比較復雜，要承受彎矩、剪力和軸力的作用，起著對墻肢提供約束彎矩的重要作用。金屬阻尼器因其價格低廉，強度和剛度的大小設計較易控制，經(jīng)過合理設計后耗能性能優(yōu)越，在目前的結構振動控制中得到了廣泛的應用。

在已有研究的基礎上[1-6]，本文針對提出的腹板開孔的連梁保險絲，建立了其實體有限元模型，重點通過精細仿真分析研究了新型連梁保險絲的變形、等效塑性應變發(fā)展過程及其滯回曲線和骨架曲線，并與試驗結果進行了對比分析。

1連梁保險絲的開發(fā)

如圖1和圖2所示為新型連梁保險絲的加工尺寸圖和照片[5]。保險絲是一段普通工字型鋼，腹板開有菱形孔。腹板開菱形孔是為了使腹板能夠大部分屈服耗能，增強保險絲的耗能能力，合理的屈服順序是最弱的截面先屈服，通過材料的強度硬化，達到腹板大部屈服的目的。這類保險絲一般設計為剪切屈服耗能構件。

圖1　保險絲的尺寸Fig.1 Fuse size

圖2　保險絲的照片F(xiàn)ig.2 Photo of the fuse

2ABAQUS有限元模型

可更換連梁保險絲的所有單元均采用ABAQUS程序的8節(jié)點減縮積分實體單元C3D8R來模擬。減縮積分單元比完全積分單元在每一個方向上少用一個積分點，即使存在扭曲變形時，分析精度不會受到大的影響，在彎曲荷載下也不容易發(fā)生剪切自鎖[7]。建模時，利用高級網(wǎng)格劃分技巧，絕大部分實體采用六面體單元，這樣可以減少由于單元退化帶來的計算誤差。

可更換連梁保險絲的材性試驗在同濟大學質(zhì)檢站進行，材性試驗得到的鋼板各項材料性能指標見表1。

表1　鋼板的各項材料性能

模型建好后的可更換連梁保險絲的有限元模型如圖3(a)所示，有限元模型一共劃分了4 488個單元，7 108個節(jié)點，腹板部分由于應力較大，且考慮到小孔處可能產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，因此該位置的網(wǎng)格劃分比較密。材料本構模型采用彈塑性強化模型。

加載的工況與試驗一致，考慮到試驗中保險絲是安裝在四連桿機構上加載，四連桿機構的剛度和強度較大，保險絲主要產(chǎn)生剪切變形。因此，模擬時約束保險絲頂部端板的豎向自由度。

圖3　保險絲的有限元模型和變形圖Fig.3 Finite element model and deformation of the fuse

3分析結果

3.1保險絲的變形

約束保險絲頂部端板的豎向自由度后，對保險絲進行水平加載，保險絲的變形如圖3(b)所示，保險絲的小孔處的變形較大，特別是小孔處的45°方向的變形較大，而且小孔45°方向的屈曲較為嚴重，這與試驗中該處產(chǎn)生撕裂的現(xiàn)象一致。因此，通過保險絲的變形圖可以發(fā)現(xiàn)保險絲變形或屈曲較大的位置，有助于判斷保險絲的可能失效部位。

3.2保險絲的應變發(fā)展

等效塑性應變(PEEQ)是描述構件整個變形過程中塑性應變的累積結果，等效塑性應變大于零，表示材料發(fā)生了屈服[8-14]。等效塑性應變的定義如下所示：

(1)

(2)

因此，材料在不同位移循環(huán)下的等效塑性應變越大，表示結構的累積塑性變形越嚴重，結構在此開裂的可能性也就越大。圖4表示了在不同的剪切位移角下，可更換連梁保險絲的等效塑性應變的發(fā)展過程。

通過上述保險絲的等效塑性應變發(fā)展過程，總結保險絲的各部分屈服順序。即保險絲的屈服首先發(fā)生在小孔附近，保險絲的剪切位移角達到3.45%時，小孔周邊累積塑性變形嚴重(如圖4(f)所示)，而試驗現(xiàn)象中，保險絲的剪切角為3.55%時，小孔周邊開始產(chǎn)生微裂縫，因此計算分析與試驗現(xiàn)象比較吻合(見表2和表3)。如圖4(h)所示，分析表明小孔兩側累積塑性變形沿著 45°方向非常嚴重，這與最終試驗中保險絲的破壞情況非常相似，試驗中保險絲的裂縫正是沿著與水平線成45°～60°之間，向著翼緣擴展，如圖5所示[5]。因此，通過對保險絲的等效塑性應變發(fā)展過程分析，可以比較準確地得到構件各部分的屈服順序，有助于對保險絲的優(yōu)化設計。

圖4　保險絲的等效塑性應變發(fā)展過程Fig.4 Equivalent plastic strain development of the fuse

圖5　試件的變形圖Fig.5 Deformation of the fuse

剪切角/%構件各部分屈服順序0.23小孔兩側由于應力集中首先產(chǎn)生屈服0.50小孔四周都產(chǎn)生屈服0.99腹板屈服范圍沿著小孔周圍不斷擴大1.29屈服范圍擴展到整個腹板2.46翼緣開始產(chǎn)生屈服3.45翼緣屈服范圍擴大,小孔周邊累積塑性變形嚴重5.00翼緣屈服范圍繼續(xù)增大6.46翼緣大部分屈服,小孔兩側累積塑性變形沿著45°方向非常嚴重

表3　保險絲的試驗現(xiàn)象

3.3保險絲的滯回性能分析

對保險絲做低周反復加載，加載工況與試驗一致，對保險絲的滯回性能進行模擬。如圖6所示，試驗的滯回曲線只取了下降段之前的部分，因為保險絲的腹板開始撕裂后的性能在計算中很難模擬出來。由圖6可知，模擬得到的保險絲滯回曲線與試驗結果很相似。不足之處是模擬的曲線更加飽滿一些，卸載的剛度更大，但屈服承載力和峰值承載力模擬的效果較好。

圖6　保險絲的試驗與模擬滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves comparison between test and simulation

圖7　保險絲的試驗與模擬骨架曲線Fig.7 Skeleton curves comparison between test and simulation

如圖7所示，計算與試驗的骨架曲線基本接近，試驗所得的保險絲的初始剛度略大于計算，總體來講，通過ABAQUS有限元程序模擬保險絲的滯回性能和骨架曲線能夠得到比較好的結果。

4結論

本文對提出的保險絲進行了試驗和有限元分析，試驗研究表明保險絲在腹板開裂前的性能較好，滯回曲線非常飽滿，但在腹板開裂后性能下降較多。這表明在保險絲的腹板開菱形孔能夠有效增大腹板的屈服區(qū)域，增強保險絲的耗能能力，但要適當增大孔洞的夾角并采取有效措施減小開孔處的應力集中。基于ABAQUS有限元程序，建立了保險絲的實體有限元模型，對其進行了精細仿真分析，計算與試驗結果對比研究表明，計算模型可以較好地模擬保險絲的變形、屈服順序及其滯回曲線和骨架曲線，因此，這種模擬方法對類似保險絲的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義。

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Nonlinear Simulation Analysis of Coupling Beam Fuse

Shan Wenyan1，Chen Yun1，2*

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；

2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

Abstract：Coupling beam fuses are usually set and used to dissipate seismic energy in the coupled shear wall structures under strong earthquakes.It is convenient to replace or repair the damaged fuse after earthquakes.This paper firstly develops a new kind of coupling beam fuse，i.e.，setting a rhombic hole in the web of H shaped steel，to enlarge the yield region of the fuse.The material property test of the fuse was performed in the laboratory and key material parameters were obtained.Based on the ABAQUS procedure，a solid finite model of fuse was established.The fine simulation of the fuses was conducted through cyclic loading.By comparing the computational and experimental results，it was found that the simulation method can precisely predict the deformation，yield sequence，hysteretic curves，and skeleton curve of the fuse.Thus，the simulation method can be widely used to simulate similar coupling beam fuses.

Keywords：coupling beam；coupling beam fuses；simulation analysis；test

*通信作者：陳云，博士。研究方向：結構工程與防災研究。 E-mail: chenyunhappy@163.com

作者簡介：第一單文彥，本科。研究方向：結構工程與防災研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51408170)；海南省科協(xié)青年科技人才學術創(chuàng)新計劃資助(201501)；海南大學科研啟動項目(kyqd1401)

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：TU 375；P 315.952

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0083-04