不同參數(shù)對X形耗能器性能的影響分析

陸偉東 戴 偉

(南京工業(yè)大學土木工程學院,南京 211816)

0 引 言

建造一棟木結(jié)構(gòu)建筑,節(jié)點部分是至關(guān)重要的一環(huán)[1]。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展,木結(jié)構(gòu)節(jié)點也出現(xiàn)了各種各樣的形式,如榫卯連接、齒板連接、銷釘連接、植筋連接、螺栓鋼填板連接等[2-3]。通過大量的工程實例發(fā)現(xiàn),木結(jié)構(gòu)破壞大多數(shù)是發(fā)生在節(jié)點處,并且破壞的主要原因是節(jié)點的承載力不足、剛度和延性不足等[4]。現(xiàn)在的膠合木梁柱連接通常采用螺栓鋼填板[5]。但是這種連接方式在承受比較大的彎矩的時候,需要較多螺栓,如果不增加螺栓那么就需要加大螺栓直徑,而木材局部可能因此應(yīng)力集中破壞,最終可能因節(jié)點的提前破壞導致整體結(jié)構(gòu)的垮塌。

本文研究的X形耗能器節(jié)點具有較高的節(jié)點剛度、抗彎能力、延性性能和耗能能力,既能保證靜載下承載力要求,也能實現(xiàn)小震下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,還能實現(xiàn)大震下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大變形并控制結(jié)構(gòu)損傷,實現(xiàn)高延性、高承載力的理想效果。同時該新型滿足快速工業(yè)化的需求,可以在工廠預(yù)加工,在施工現(xiàn)場直接吊裝拼接,為木結(jié)構(gòu)建筑的推廣埋下了伏筆。

1 X形耗能器的構(gòu)造及安裝形式

X形耗能器(圖1)是采用Q235鋼冷加工而成。采用高強摩擦型螺栓與鋼填板連接(圖2)。連接裝置安裝在梁柱節(jié)點處用來連接以及增加耗能能力(圖3)。

圖1 耗能器示意圖Fig.1 Sketch of damper

圖2 耗能器與鋼填板連接示意圖(主視圖、俯視圖)Fig.2 Energy dissipator with steel plate connection (front and vertical view)

圖3 耗能器安裝示意圖Fig.3 Sketch of energy dissipator installation

X形耗能器的工作原理:當耗能器連接節(jié)點處的梁產(chǎn)生較小豎向位移時,耗能器節(jié)點的上下X形通過變形使節(jié)點處于彈性工作狀態(tài),為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度;當耗能器節(jié)點處的梁產(chǎn)生較大豎向位移時,耗能器進入彈塑性狀態(tài)耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量,減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

2 X形耗能器的設(shè)計參數(shù)

X形耗能器的構(gòu)造參數(shù)如圖4所示。影響X形耗能器性能的因素主要有X形開口r1,中間厚度r2,腰部弧度r3以及鋼板厚度t四個變量。

為了研究上述參數(shù)對X形耗能器性能的影響,共設(shè)置了9個四組對比模型,具體模型尺寸如表1所示。通過控制變量法研究四個變量參數(shù)對滯回性能的影響。四組對比組分別為:X形開口r1對比組(DX-1、DX-2、DX-3),中間厚度r2對比組(DX-1、DX-4、DX-5),腰部弧度r3對比組(DX-1、DX-6、DX-7),X形鋼板厚度t對比組(DX-1、DX-8、DX-9)。

圖4 耗能器尺寸示意圖Fig.4 Sketch of energy dissipator size

表1耗能器各模型參數(shù)表

Table 1 Energydissipator of model parameters mm

3 有限元模型的建立

X形耗能器采用ABAQUS軟件建立簡易的計算模型,研究不同參數(shù)變化下耗能器在低周反復(fù)作用下的力學性能[6],為接下來的理論推導和試驗提供必要的參考依據(jù)。

3.1 模型的建立

圖5為梁柱節(jié)點旋轉(zhuǎn)90°后的加載狀態(tài)圖。為了研究的方便,采用 ABAQUS 軟件對X形耗能器研究時我們采用簡化的形式,即去掉了木梁和木柱用同樣長度和寬度的鋼填板代替,以便更好地單純研究X形耗能器的滯回性能,因為實際試驗中X形阻尼器與鋼填板連結(jié)起來處在木梁柱銷槽內(nèi),不會出現(xiàn)面外失穩(wěn)問題,所以在模擬中設(shè)置梁部的鋼填板為剛體避免了替換后的面外失穩(wěn)出現(xiàn)。

建立有限元模型時,根據(jù)節(jié)點受力特點,把鋼填板完全固定,四個高強螺栓施加預(yù)緊力。設(shè)置梁的上半部分為剛體,避免失穩(wěn)的同時也能提高計算機計算速度。模型的加載點模擬真實加載位置在距離梁端150 mm正中間處。耗能器均采用實體建模,為了網(wǎng)格劃分的合理性節(jié)點部位單元類型選用六面體非協(xié)調(diào)模式單元(C3D8I),算法為中性軸算法。劃分好單元的有限元模型如圖6所示,X形鋼板網(wǎng)格劃分放大圖如圖7所示。

圖5 模型受力狀態(tài)Fig.5 Force state of the model

3.2 邊界條件

模型下部鋼填板完全固定,加載點RP-1在分析步第一步即螺栓加預(yù)緊力的時候固定,分析步第二步取消激活。最后在加載點施加X軸方向上的往復(fù)位移荷載。

3.3 材料定義

X形耗能器中的鋼板采用Q235B級鋼,為彈塑性材料,鋼材采用能充分發(fā)揮彈性及彈塑性的三線性理想應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖8所示。螺栓材料采用M30的10.9級摩擦型高強螺栓,螺栓本構(gòu)如圖8所示。彈性模量為Es=2.06×105MPa,泊松比υ= 0.3[7]。

圖6 模型的單元劃分Fig.6 Model unit division

圖7 X形耗能器單元劃分Fig.7 X dissipator of unit division

圖8 X形鋼板和螺栓材料的本構(gòu)Fig.8 The constitutive relationship of X steel plate and bolt

表2材料性能指標

Table 2 Material performance indicators

3.4 加載制度

本文模型加載采用在梁端加載點施加強制位移,初始位移為屈服位移的20%。每次每級位移增量為20%,當模型屈服時,每級荷載循環(huán)1次;屈服后,依次增加2倍、3倍、4倍、5倍屈服位移,每級荷載循環(huán)兩次,加載制服如圖9所示[8]。

圖9 位移控制加載制度Fig.9 The loading system of displacement control

4 X形耗能器不同參數(shù)對耗能結(jié)果的影響

4.1 開口r1的影響

為了研究r1大小對耗能效果的影響,分別選取r1=30 mm,20 mm,40 mm三種尺寸分別建立模型進行分析,得出的滯回曲線和骨架曲線如圖10所示,可以看出,隨著r1不同尺寸的變化,滯回性能稍有提升,但是并不明顯,初始剛度相同。由表3可以看出,三者耗能能力相差不大,隨著r1的增大,耗能能力稍有提升,可以看出,開口r1大小對耗能器的耗能效果影響不大。當r1太大,會使耗能器發(fā)生平面外屈曲而失效;若r1太小,會使得變形時上下兩塊鋼填板發(fā)生碰撞擠壓。

表3不同開口大小耗能指標

Table 3 Different opening size index of energy consumption

4.2 中間厚度r2的影響

由于耗能部位主要在X形鋼板中間部位,故猜測跟r2有密切關(guān)系。分別取r2=40 mm,30 mm,50 mm三種尺寸進行對比有限元模擬。其滯回曲線、骨架曲線如圖11所示。由圖11以及表4可以看出:耗能能力隨著r2的增大顯著增大。但是為了防止應(yīng)力集中在中心區(qū)域,r2的取值不能無限制大。r2=30 mm增大到r2=40 mm時增長了33.33%,滯回環(huán)面積增大了66.67%,r2=40 mm增大到r2=50 mm時增長了25%,滯回環(huán)面積增大了16%,由此可以看出,r2增長得越大,耗能增長逐漸降低。

圖10 不同r1的滯回曲線Fig.10 Hysteresis curve of different r1

圖11 不同r2的滯回曲線Fig.11 Hysteresis curve of different r2

表4不同中間厚度耗能指標

Table 4 Different thickness of the middle of the indicators of energy consumption

4.3 腰部弧度r3的影響

其他變量保持一致,選取r3=50 mm,30 mm,70 mm三種尺寸進行建模分析。得出滯回曲線、骨架曲線如圖12所示。由圖可以看出r3的不同取值對耗能效果影響很小,r3=30增大到r3=50 mm時增長了66.67%,滯回環(huán)面積增大了3.7%,r3=50 mm增大到r3=70 mm時增長了40%,滯回環(huán)面積減小了7.5%。故r3=50 mm附近較為合理。

圖12 不同r3的滯回曲線Fig.12 Hysteresis curve of different r3

表5不同腰部弧度耗能指標

Table 5 Different waist radian indicators of energy consumption

4.4 X形厚度t的影響

X形厚度t無疑是一個重要的耗能變量參數(shù),故取t=10 mm,8 mm,12 mm三種尺寸進行有限元模擬,保持其他參數(shù)相同,得出滯回曲線、骨架曲線如圖13所示。由圖可知耗能能力隨著鋼板厚度的增加而增加。t=8 mm增加到t=10 mm增長了25%,滯回環(huán)面積增加了31%,t=10 mm增加到t=12 mm增長了20%,滯回環(huán)面積增加了16%,試驗時可以增加合適的厚度滿足耗能的要求。

表6不同厚度耗能指標

Table 6 Energy consumption index of different thickness

圖13 不同r4的滯回曲線Fig.13 Hysteresis curve of different r4

5 結(jié) 論

(1) X形耗能器尺寸r2和厚度t都對耗能器動力性能有直接影響。在工程應(yīng)用中可以通過合理改變上述參數(shù)來提高耗能器耗能能力。

(2) 耗能器具有良好的變形以及耗能能力,得出的滯回曲線比較飽滿,應(yīng)力分布比較均勻。

(3) 耗能器的r1，r3尺寸大小對耗能能力影響不大,具體尺寸可以根據(jù)構(gòu)件協(xié)調(diào)性合理取值。

(4) 經(jīng)過ABAQUS模擬分析得到如下組合:r1=30 mm,r2=50 mm,r3=50 mm,r4=40 mm,b=40 mm,t=12 mm,尺寸的確定為接下來最優(yōu)尺寸確定的后續(xù)試驗開展打下了基礎(chǔ)。

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