刘凌飞;周德源
【摘 要】对使用低屈服点钢腹板的剪切钢板阻尼器进行参数分析,研究包括腹板厚度、翼缘厚度、腹板整体尺寸和腹板高宽比等参数对阻尼器刚度和耗能的影响.为了准确模拟剪切钢板阻尼器在低周反复加载试验时的力学性能,采用Abaqus作为模拟平台,基于金属塑性材料和混合强化法则.分析结果表明:腹板厚度对阻尼器刚度的影响较大;翼缘厚度对刚度的影响较小;高宽比不变时,腹板整体尺寸对刚度的影响较小;腹板宽度不变时,腹板高度对刚度的影响较大.通过这些参数调节阻尼器刚度时,应使腹板柔细比处于合理范围内,以确保阻尼器具有良好的滞回性能. 【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2016(032)003
【总页数】7页(P30-36)
【关键词】剪切钢板阻尼器;低屈服点钢;刚度;滞回性能
【作 者】刘凌飞;周德源
女夭
【作者单位】同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092
【正文语种】红兵打针中 文
剪切钢板阻尼器是位移型阻尼器,通过整体剪切变形,使钢板(主要是低屈服点钢制作的腹板)产生面内塑性变形来耗散地震时输入结构的能量[1-5](图1)。剪切钢板阻尼器具有刚度大、低周疲劳性能良好、滞回性能稳定、容易更换等优点[6-8]。剪切钢板阻尼器与结构常见的连接方式有V字形、墙型和连梁型(图2)。其中,V字形和墙型利用的是层间剪切位移,连梁型利用的是连梁剪切变形[9]。剪切钢板阻尼器不仅可以为结构提供附加阻尼,而且可以提供附加刚度。但是具有过大刚度的结构在地震时将导致更加不利的地震作用,具有过小刚度的结构可能在风荷载作用下产生过大的位移。同时,连梁阻尼器较简便的设计方法是等刚度法(将连梁阻尼器的初始刚度设计成和连梁刚度相等)。因此,剪切钢板阻尼器刚度是设计过程中需要考虑的一个重要因素。目前,关于剪切钢板阻尼器的研究主要集中在影响耗能能力的相关因素上,关于影响其刚度相关因素的研究较少。影响此类阻尼器耗能的主要因素包括腹
板的柔细比、翼缘对腹板的板厚比、加劲肋的刚度比和形状系数[8]。
鲁友社区
本研究以有限元软件Abaqus作为模拟平台,建立了腹板为低屈服点钢的剪切钢板阻尼器有限元模型,将计算得到的滞回曲线和文献[10]中的试验结果对比,验证本研究有限元模型的可靠性。然后以腹板厚度、翼缘厚度、腹板整体尺寸和腹板高宽比为参数,对具有不同参数的剪切钢板阻尼器低周反复加载试验进行模拟,主要探讨各参数对阻尼器刚度的影响,并分析了这些因素对阻尼器耗能的影响,研究其内在规律,为设计提供参考。
为了准确模拟剪切钢板阻尼器在低周反复加载试验时的力学性能,本研究采用有限元软件Abaqus作为模拟平台。阻尼器各部分钢板均采用S4R(4节点减缩积分壳单元)模拟,材料采用金属塑性材料,并采用混合强化法则。本研究中模型建立和分析方法,均与文献[10]中所做的低屈服点钢剪切钢板阻尼器滞回性能试验相符(图3)。采用等级为Q225的低屈服点钢作为腹板,下翼缘板所有节点均采用固定约束,上翼缘板的加载位移与试验一致(图4)。有限元计算结果如图5所示,与试验结果吻合良好,表明有限元计算能够较好地模拟剪切钢板阻尼器在低周反复荷载试验时的力学性能。因此,本文所采用的建模方法,材料本构正确,分析结果可靠。采用上述有限元模拟方法进行后续分析是可靠的。
风人物语
可能影响阻尼器刚度的主要因素有腹板厚度、翼缘厚度、腹板整体尺寸和腹板高宽比等。对每一因素进行分析都需要大量的数据,然而受客观条件限制,试验试件数量都是有限的。有限元模拟可以在试验的基础上,扩大试验成果,节省大量的人力物力财力。本研究利用经过试验数据较准的有限元模型对以上可能的影响因素进行大量的数值模拟,以获得更多的数据,并以此为依据,探讨其内在规律。
3.1 腹板厚度背包问题论文
为了研究腹板厚度对阻尼器刚度的影响,本研究设计了4个除腹板厚度不同外,其余尺寸参数完全相同的采用Q225低屈服点钢腹板的剪切钢板阻尼器。各阻尼器主要参数见表1,低周反复加载试验的有限元模拟结果见图6—图9。由图6可知,当腹板较薄时,柔细比较大,屈服强度较小,滞回曲线呈捏拢状态,影响耗能效果,而且刚度也较低。其中柔细比[8]的定义为
松下vs7式中,a和t分别为腹板高度和厚度;ks为四边简支板弹性屈曲系数;τy为腹板所用低屈服点钢的剪切屈服强度;E为弹性模型;υ为腹板所用低屈服点钢泊松比。
腹板柔细比是影响剪切钢板阻尼器耗能的关键因素,其合理范围为0.2～0.5。由图6—图9可知,随着腹板厚度增大,柔细比减少,阻尼器屈服强度增大,滞回曲线饱满,耗能效果较好。
由图10可知,阻尼器腹板厚度增加300%,阻尼器刚度增加了251%。因此,腹板厚度对阻尼器刚度有较大影响,但是通过调整腹板厚度调节阻尼器刚度时,为保证阻尼器的耗能能力,其柔细比应处于合理范围内。
3.2 翼缘厚度
为了研究翼缘厚度对阻尼器刚度的影响,本研究设计了3个除翼缘厚度不同外,其余尺寸参数完全相同的低屈服点钢剪切钢板阻尼器。阻尼器D5和D6主要参数见表2,阻尼器D2主要参数见表1,低周反复加载试验的有限元模拟结果见图7、图11和图12。由图7、图11和图12可知,随着翼缘厚度的增加,滞回曲线将更加饱满,屈服强度提高,耗能效果增强,呈现出明显的等向强化效应。其原因是翼缘需要足够的厚度以提供足够的刚度为腹板提供约束,避免腹板过早出现屈曲。此外,随着加载位移的增大,翼缘钢板也将进入塑性状态,耗散部分能量。由图13可知,阻尼器腹板厚度从12 mm增加到36 mm,刚度仅增加18%。阻尼器初始刚度受腹板厚度影响很小,耗能能力受腹板厚度影响较大。
3.3 阻尼器腹板整体尺寸
为了研究腹板整体尺寸对阻尼器刚度的影响,本研究设计了4个腹板整体尺寸不同,但腹板高宽比均为1∶1的低屈服点钢剪切钢板阻尼器。阻尼器D7—D9主要参数见表3,阻尼器D2主要参数见表1,低周反复加载试验的有限元模拟结果见图7和图14—图16。由图7和图14—图16可知,随着腹板整体尺寸增加,滞回曲线呈现捏拢现象,影响耗能效果,等向强化效应减弱,但是屈服强度得到提高。其原因是本研究中设计的腹板整体尺寸较大的阻尼器,腹板柔细比较大,影响了耗能效果。由图17可知,阻尼器腹板尺寸从300 mm×300 mm增加到600 mm×600 mm,刚度减少了6.9%。在高宽比相同的情况下,阻尼器初始刚度受整体尺寸的影响很小。为了保证腹板整体尺寸较大的阻尼器的耗能效果,腹板的柔细比应在合理的范围内。
3.4 腹板高宽比
为了研究腹板高宽比对阻尼器刚度的影响,本研究设计了4个除腹板高宽比不同外,其余尺寸参数完全相同的低屈服点钢剪切钢板阻尼器。阻尼器D10—D12主要参数见表4,阻尼器D2主要参数见表1,低周反复加载试验的有限元模拟结果见图7和图18—图20。由图7和图18—图20可知,随着阻尼器高宽比的减少,滞回曲线将更加饱满,耗能效果增强,呈现出明显的等向强化效应。由图21可知,腹板宽度相同的阻尼器,高宽比从1.5减小到0.75时,刚度增加140%。因此,阻尼器初始刚度受腹板高宽比影响很大。
通过和试验结果对比表明,本研究建立的Abaqus模型计算得到的滞回曲线和试验结果吻合良好,能够模拟剪切钢板阻尼器低周反复加载试验。通过改变参数,本文研究了腹板厚度、翼缘厚度、腹板整体尺寸和腹板高宽比对剪切钢板阻尼器刚度和耗能的影响。研究结果表明:
(1) 腹板厚度对阻尼器刚度的影响较大。增加腹板厚度,柔细比减少,滞回曲线饱满,耗能效果较好,刚度和耗能增加明显。
(2) 翼缘厚度对刚度的影响较小,但是增加翼缘厚度可以提高阻尼器的耗能能力。其原因是厚翼缘可以提供足够的刚度约束腹板,避免腹板过早出现屈曲。此外,随着加载位移的增大,翼缘钢板也将进入塑性状态,耗散部分能量。
(3) 高宽比不变时,阻尼器整体尺寸对刚度的影响较小,但是增加阻尼器整体尺寸可以增强耗能能力。
(4) 宽度不变时,腹板高度对刚度的影响较大。减小腹板高度可以显著提高阻尼器的刚度和耗能能力。
