設置鋼阻尼器鋼結構的有限元分析

李江剛

設置鋼阻尼器鋼結構的有限元分析

李江剛

借助ABAQUS有限元軟件,對設置鋼阻尼器的鋼結構進行了地震動荷載作用下的有限元分析,得出鋼阻尼器能為結構提供附加抗側剛度和附加阻尼,耗散輸入的地震能量,保護主體結構,減震效果顯著的結論。

鋼阻尼器,地震動荷載,有限元分析

耗能減震結構在小震和設計風荷載作用下,阻尼裝置基本處于彈性狀態,給結構提供足夠的剛度,使耗能減震結構滿足正常使用的要求;在中震、大震及強震作用下,阻尼裝置率先進入耗能狀態,產生較大的阻尼,大量耗散輸入結構中的能量,迅速衰減結構的動力反應,而主體結構不出現明顯的非彈性,從而確保結構在強震或強風中的安全性和正常使用[1]。鋼阻尼器是阻尼裝置其中的一種,其耗能原理是：在地震作用下,鋼阻尼器在建筑結構發生塑性變形前首先發生屈服,以消耗大部分地面運動傳給建筑結構的能量。以單圓孔型鋼阻尼器為例,借助ABAQUS有限元軟件,分析設置該阻尼器結構在地震動荷載作用下的反應。

1 設置單圓孔型鋼阻尼器鋼框架結構的耗能指標

與設置單圓孔型鋼阻尼器結構的耗能能力有關的參數有[3]：阻尼裝置與主體框架部分的抗側彈性剛度之比SR,阻尼裝置中支撐與阻尼器之間的彈性剛度之比阻尼器的屈服位移與層高之比γ。這些參數都是獨立的基本參數,研究這些參數對結構減震效果的影響,具有普適性,以下借助 ABAQUS有限元軟件,考慮鋼框架梁柱節點連接的半剛性,分析設置單圓孔型鋼阻尼器的鋼框架在地震動荷載作用下的反應。

2 有限元模型

2.1 設置鋼阻尼器鋼結構的總信息

以下是設置鋼阻尼器鋼框架結構的總信息,該建筑結構安全等級為二級,建筑抗震設防類別為丙類,建筑物地處地震設防烈度為 7度,設計地震分組第一組,Ⅲ類場地,該結構為 12層的鋼框架,如圖 1所示,層高 3.6m,總高為 43.2m,三跨,跨度為 6m,阻尼裝置安裝在中間跨且每層都布置,其中各耗能指標參數

2.2 地震波的選取

根據建筑物所處的場地特性,選取如表 1所示的地震記錄,并按《建筑結構抗震規范》相應規定進行多遇和罕遇地震峰值加速度調幅。

表1 地震記錄

2.3 節點半剛性連接的模擬、單元類型的選取、接觸處理及地震動荷載模擬

為了精確地模擬梁柱節點的半剛性,采用ABAQUS提供的連接單元 Hinge來實現,H inge連接單元可以使兩個節點結合并且可以給兩個節點的旋轉自由度提供旋轉約束。梁、柱、支撐都采用 B32梁單元,在有限元模型的＊.inp文件里利用＊release命令將對應的自由度釋放,從而來模擬實際中支撐與梁柱節點處的鉸接。單圓孔型鋼阻尼器采用殼單元(S8R和 STRI65),在ABAQUS里采用 Tie約束來模擬單圓孔型鋼阻尼器與梁和相關支撐的接觸關系。在鋼框架模型首層柱腳的相關平動自由度方向施加加速度,其幅值曲線與所選地震動荷載幅值曲線一致。

上述兩鋼框架的最大層間位移都是出現在第 9層,圖 2是在EL-Centro地震波作用下(多遇)的第 9層層間位移時程曲線。從圖 2可以看出,在多遇地震作用下,設置了鋼阻尼器的框架結構較沒有設置鋼阻尼器的框架結構具有明顯的減震效果。

3 計算結果分析

3.1 多遇地震作用下

設置阻尼裝置的鋼框架和沒有設置阻尼裝置的鋼框架在 ELCentro地震波作用下(峰值加速度調幅到 70 cm/s2),各自最大的層間位移和最大基底剪力見表 2。

表2 最大層間位移和最大基底剪力對比表

3.2 罕遇地震作用下

設置阻尼裝置的鋼框架和沒有設置阻尼裝置的鋼框架在 ELCentro地震波作用下(峰值加速度調幅到400 cm/s2),各自最大的層間位移和最大基底剪力見表 3。

表3 最大層間位移反應和最大基底剪力對比表

上述兩鋼框架的最大層間位移都是出現在第 9層,圖 3是兩框架結構在 EL-Centro地震波作用下(罕遇)的第 9層層間位移時程曲線。

在 EL-Centro地震波作用下(罕遇),各樓層的鋼阻尼器上下兩端的相對位移峰值均遠大于單圓孔型鋼阻尼器的屈服位移Uy=1.9mm,兩端相對位移較大的鋼阻尼器所在的樓層都是上下層抗側剛度變化較大的樓層。

4 結語

借助 ABAQUS有限元軟件,對設置單圓孔型鋼阻尼器的半剛性連接鋼框架結構進行地震動荷載作用有限元分析,得出以下結論：設置單圓孔型鋼阻尼器的鋼框架具有較高的抗側彈性剛度,在多遇地震作用下,單圓孔型鋼阻尼器不出現應力屈服現象,為結構增加抗側剛度,減少結構的層間側移反應,滿足正常使用要求;在罕遇地震作用下,單圓孔型鋼阻尼器產生應力屈服,實現塑性耗能,為結構提供附加阻尼,同時改變結構的剛度特性,減少結構的震動響應,滿足耗能要求。

[1]周 云.金屬耗能減震結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社,2006.

[2]歐進萍,吳 斌,龍 旭.結構被動耗能減震效果的參數影響[J].地震工程與工程振動,1998,18(1)：60-70.

[3]李玉順.鋼框架結構軟鋼阻尼器振動控制的試驗與理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士學位論文,2004：72-89.

Finite element analysis on the steel structure of setting steel dampers

LI Jiang-gang

Adopting ABAQUS finite element software,it carries on finite element analysis of steel structure of setting steel dampers under the seism ic dynamic load,and obtains that the damper can provideadd-on the lateral force resisting rigidity and additional damping,dissipate seism ic energy input,protectmain structure,and has obvious seism ic resistance effect.

steel damper,dynam ic seismic load,finite element analysis

TU391

A

1009-6825(2011)09-0055-02

2010-12-11

李江剛(1983-),男,助理工程師,廣東省建工設計院,廣東廣州 510600