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        帶金屬阻尼器的框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

        2022-01-21 10:25:34黎浩宇
        湖南交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:阻尼器本構(gòu)框架結(jié)構(gòu)

        黎浩宇, 左 嘯, 陳 崢

        (湖南省交通水利建設(shè)集團有限公司, 湖南 長沙 410008 )

        0 引言

        近百年來,我國經(jīng)歷了多場大型地震,最著名的有1976年河北唐山7.8級地震、2008年四川汶川8級地震和2010年青海玉樹地震,這些地震給我國帶來了慘重的生命和財產(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,造成變形過于集中[1]。而要消除“梁鉸”破壞,僅僅按照規(guī)范進(jìn)行“強柱弱梁”設(shè)計是遠(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,金屬阻尼器是整個結(jié)構(gòu)的“排頭兵”,可以通過耗散地震能量,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)為二維兩層兩開間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其總高度為7.2 m。該場地設(shè)計基本風(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對此框架進(jìn)行配筋設(shè)計,具體梁、柱尺寸以及配筋圖如圖2所示。其中梁柱混凝土強度等級為C30,縱筋均為HRB335?;炷梁弯摻畹奈锢韰?shù)分別見表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屈服強度/MPa直徑/mm箍筋(HRB335)2.0×105248.214

        2 OpenSees簡化模型建立及加載

        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)計的框架結(jié)構(gòu)只考慮梁和柱,對梁柱單元的模擬均采用分布塑性鉸纖維單元(Force Beam Column Element),梁的長度和柱的高度依據(jù)框架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置,對梁柱節(jié)點不進(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),同時考慮箍筋的約束作用[5]。

        2.2 金屬阻尼器的模擬

        國內(nèi)外學(xué)者[6]開展了大量的金屬阻尼器擬靜力試驗研究,結(jié)果表明金屬阻尼器的滯回特性可看作隨動強化的雙折線滯回關(guān)系,并且在往復(fù)位移作用下會出現(xiàn)等向強化特性,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;Fy表示抗壓強度;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,以此模型為對照組模型,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種情況來進(jìn)行研究(見圖5、圖6),分別取模型編號為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)采用的是不對稱形式,而第2種和第3種布置方式則是對稱的,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)來評估結(jié)構(gòu)的耗能能力,圖6c為3個模型中等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點位移的變化關(guān)系,由圖可知3個模型的等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點位移增加呈增大趨勢,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)計中,金屬阻尼器的參數(shù)取值對結(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個模型中等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點位移的變化關(guān)系,由圖可知3個模型的等效粘滯阻尼系數(shù)隨頂點位移增加呈增大趨勢,3個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個模型的剛度退化曲線,由圖可知,3個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)過程中的重點和難點。通過利用OpenSees建立附加金屬阻尼器的有限元簡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,對稱布置的金屬阻尼器相比于不對稱布置,結(jié)構(gòu)的承載力更高、屈服位移更大、受力性能更好,但豎向不對稱布置的結(jié)構(gòu)耗能能力更強。

        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。

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