新型软钢支撑耗能器的滞回性能和屈曲性能分析

新型软钢支撑耗能器的滞回性能和屈曲性能分析新型软钢支撑耗能器的滞回 ?性能和屈曲性能分析章丛俊李爱群赵福令（东南大学土木工程学院，南京２ｌ００９６）尼器。这种耗能器的优点是耗能区域明确，受拉和受压均能实现承载全截面屈服，本文采用ａｎｓｙｓ软件中要集中在预设的工作区域内。［关键词】软钢支撑屈曲稳定性滞回曲线ａｒ塔ｙｓ分析耗能减震［摘要］本文在总结国内外学者有关研究成果的基础上，开发研制了一种新型的耗能器一软钢支撑式阻Ｓｏｌｉｄ单元对该耗能器的滞回性能和屈曲性能进行了分析。研究结果表明，该耗能器耗能能力强，且变形主１．引言低碳钢是一种性能良好的弹塑性材料，它可以在超过屈服应变几十倍的塑性应变下往复数百次而不断裂，它在塑性阶段的往复滞回曲线形状饱满，耗能效果好。在耗能减震体系中使用低碳钢制作耗能器，国内外已进行了多年的研究，美国的ＫｂＵｙⅢ、新西兰的Ｓｋｉｎｒ燃比１、我国的欧进萍口１等学者对低碳钢耗能器进行了开发、试验和研究，他们卓有成效的工作，使耗能减震体系不断趋于成熟，其中部分研究成果己应用于实际工程中。针对耗能减震结构体系的特点和低碳钢的优良性能，在吸取国内外学者有关研究成果的基础上，本文开发研制了～种新型耗能器一软钢支撑式阻尼器。该耗能器特点是：１）合理地在十字核心钢杆中间部位设置缺陷，从而明确和控制内核十字钢杆屈服和破坏的截面位置；２）在内核钢杆的外围设置外包构件，以约束内核钢杆的横向变形，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，从而达到无论受拉还是受压都能承载全截面屈服而充分耗能。２．软钢支撑耗能器的设计构思该耗能器的材料选用Ａ３低碳钢，其构造及尺寸见图一，其中，带缺陷十字核心钢杆是在反复荷载下屈服，是支撑中主要耗能构件；外包圆钢管为十字核心钢杆提供侧向约束，保证核心钢杆在受压时达到承载全截面屈服，从而充分耗能；无粘结可膨胀材料一聚四氟乙烯是减少或消除芯材受约束段与外包钢管之间的剪力。设计该耗能器主要考虑了以下几个问题：燧堡弗毽妻内部拇遣图墼塑圭茎堑！！型！董亘里图一软钢支撑耗能器外观立体图６８７２．１软钢耗能支撑阻尼器十字核心钢杆的设计抑制屈曲支撑应用于结构中时，仅由内核受力构件与整体框架结构相铰接，承受轴向荷载，其构件力学模型可采用理想弹塑性杆单元模型，考虑外包构件约束支撑的横向变形，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，并保证压力和拉力都由内核钢支撑承受。因此，设计十字核心钢杆截面应考虑其强度和稳定性问题：强度计算可按下式估算：Ｆ，＝ｆ，Ａ～（１）其中ＦＴ为设计屈服荷载，￡为内核受力构件的屈服强度，Ａ为构件截面积。通过屈曲分析求解构件的整体失稳荷载Ｐ“假定支撑两端在轴向（ｘ向）压力Ｐ作用下发生横向（ｙ向）半波形弯曲屈曲（图二）。内核单元和外围约束单元的弹性模量和截面抗弯惯性矩分别为Ｅ。，Ｉ－和Ｅ２，Ｉ：，二者之间有横向分布力ｑ（ｘ）的相互作用但无纵向相互作用。取出受力隔离体，分别建立平衡方程。¨。和善刊ｘ，外围约束单元的平衡方程：㈤Ｅ２Ｉ：｝－ｑ（ｘ）ｕｘ．（３），毒＝。㈤㈣旷糊ｊＩ冁ｉ俸目二鞫女黼翩对方程（３）引入杆件两端边界条件进行求解，并近似取内核单元和外围约束单元的长度相等，同为Ｚ。就可得到支撑整体失稳的极限承载力：躲其中Ｋ为考虑两端约束条件的计算长度系数，对两端铰结取ｋ＝１．Ｏ，两端固结取ｋ＝ｏ．５，实际情况介于二者之间，即ｋ＝０．５～１．Ｏ。实际工程应用中应尽量处理成接近铰接，使受力情况符合设计模型，同时减轻和防止内核两端无外围约束区域和节点板在复杂应力状态下的破坏。理想情况下，整体失稳的临界荷载艮大于内核钢杆所承受的最大轴力，则内核单元在支撑整体屈曲前会达到充分的屈服。此时十字核心钢杆截面按强度确定即可，否则需对强度和稳定性分别计算面积，取其大值。２．２外包钢套管的设计外包钢套管不承受任何轴力，不改变支撑刚度，其主要目的是为内核钢杆提供侧向支撑，保证其达到极限强度之前内核钢杆不会发生屈曲，即保证外包钢套管的屈曲极限强度大于内核钢构件的极限强度。即Ｐ。，＞Ｒａ耻ｏ‘ｆＡ（６）则：Ｐ铲！鱼！！墨２１２ｂｆｋｌ）ｚ可知：外包构件刚度（Ｉｚ）为：Ｅ２１２＞竽一‘ＥｌＩ。冗。（７）其中，Ｑ为安全系数，‘为钢材屈服强度设计值，钢材的极限抗拉强度通常为屈服强度设计值的１．５～６８８２．Ｏ倍，而耗能支撵在核心钢杆弹塑性屈服阶段耗散能量，因此，建议取值为ａ＝２．Ｏ。２．３外包钢套管和内核钢构件间隙的设计外包钢套管和内核钢构件之间采用橡胶，聚乙稀、硅胶、乳胶等材料可以有效减少或消除芯材受约束段与外包钢套管的剪力。由于约束机构的作用，约束屈服段可能会在高阶模态发生微幅屈曲。此外，还需要足够的空间容许芯材在受压时膨胀，否则由于芯材与约束机构物接触面引起的摩擦力会迫使约束机构承受轴向力。因而，填充材料和芯材间需要留一定的间隙。但另一方面，如果间隙太大，约束屈服段的屈曲变形和相关曲率会非常大，这会减小屈服段的低周疲劳寿命。确定间隙宽度时，首先考虑泊松比的影响。推导时假设主受力单元受拉或受压时的体积不变，即：Ａ０１０＿ＡＩ．（８）其中Ａｏ与Ｌｏ分别为主受力单元的初始截面积与长度，Ｌ而与Ａ则分别为主受力单元受拉或受压后的长度与因为泊松比效应造成的真实截面积。从而求出横截面积变化与轴向应变￡间的关系式（９），其中￡以受拉为正：￡＝兰兰＝ｌ一三，旦＝１一旦一Ａ产Ａ（１一￡）ＬＬＡ实横截面积比例如式（１０）所示。＾ＴＴＡ（９）由以上所述可推出钢杆十字核心钢杆支撑的主受力单元在轴向应变绝对值相同时，其受拉与受压之真垒：垒！ｇ二型：生ＬＡ。（１０）Ａ。（１＋８。）ｌ＋￡。其中Ａｔ与ＡＬ分别为受拉与受压时真实截面积，而￡。为轴向应变之最大值。若假设主受力单元钢材的应力应变关系曲线于受拉受压时完全反对称，则所对应的轴压力（ｐ。）与轴拉力①ｔ）相差百分比关系为下式：里ｃ二墼：垒！！：二笠：：垒一１：里ｐｔ（１１）ＡｔｆｙＡｔ１一￡ｕ其中８。为主受力单元轴向拉或压应变之最大值，以主受力单元轴向拉压应变最大值为Ｏ．０ｌ时来说，则按受力前后体积不变原则，计算外包锅套管与内核钢构件间隙约为１．１５ｍｍ。受拉时间隙增大，轴向拉力与轴向压力相差百分比约为２％。其次，外包套管与内核钢构件间隙的确定还需考虑最大层间弹塑性位移（见图三），一般情况下，支撑的倾角ｅ在３０。～６０。之间，则钢杆在结构发生层间位移时的拉压应变为：吒２同２Ｉ△，ｌ＝Ｉ圭。。ｓ；ｎ２ｅ１≤丢。。ｃ ?２，而横向线应变ｅ７与轴向线应变￡Ｌ之比的绝对值为一常数ｕ，即：ｕ＝吲￡，＝ｕ￡Ｌ＝圭ｕｅ。根据抗震规范⋯０。＝６近零为准则，本文撑可考虑取１．２ｒｎｍ。６８９㈣，ｃ?４，豳三耗毙支撑层问弹塑性位移角交形筒圈ｍ＝ｌ／５０，ｕ取Ｏ．３，则间隙为０．３ｚ砌。比较泊松比与层间位移影响，对间隙的要求，应取两者之间最大值，同时应以受压支撑内外核间隙接３．软钢支撑耗能器的滞回耗能分析软钢支撑耗能器耗能能力的太小主要取决于其塑肚变形能力的大小即滞回曲线是否丰满．因此．从理论上研冗其阻尼力一位移滞删性能是非常重要的。３１软钢材料的本掏关系０循环加戴软钒材料的双线性本鞫关系可表示为以下形式１骨架抽线ｒ。＝Ｅ￡ｏ≤ＥＩ≤￡。｛ｏｏ＝ｄｙ＋Ｅ。（￡一￡ｙ）￡，ｓ｛￡【（１５）滞回曲线ｒｄ２Ｅ￡弹性加载－卸戴』６＝Ⅱ，＋Ｅ７（￡一ｅ，）强化阶段（１６）Ｉ。ａ＋一ｏｖ＝２６。其中ｔＥ是弹性模量：Ⅱ，和￡，分别为屈服应力和屈服应变国四取线性滞回模型ａ’是卸载应力：ａｙ为反向屈服应力：巨。为循环强化弹性模量，一般情况下，Ｅ。≠岛“当Ｅ。＝ｏ为理想弹塑性模型，如图四所示。３．２软铜支捧耗能罄滞回性能的ａ蚰ｙｓ分析由于外包钒套管仅提供侧向支搏不参与受力，因此在该耗能器滞回耗能分折时可不予考虑，十字核心钢杆在受压时稳定性通过，｝包钢套膏厦下述的稳定性分析予以保证。因此．软钢支撑耗能器滞画性雏分析即可简化为对十事核心钢杆进行分析。本文采用育限元计葬软件咖Ⅺ１０ｏ建立了十字核心钢杆的有限元模型，采用ｓｏｌｌｄ４５三维空间八节点实体单元来进行十字核心钢秆的宴体模拟。十字核心钢秆模型网格划分为三段，十字核心钢杆两端普４００蛐长度内时格划分较为稀疏，中间缺陷２００ｍｍ长段内进行适当的网格加密啦满足ａｍｙｓ计算精度要求，如图五。具体分折时，椎据软钢屈服强度和变形能力的不同，采集了三组软钢材料指标数据（表一）进行了滞回性能分析：表一：软钢材料指标≥ｏ标弹性模量Ｅｓ屈服应力ｄ最大应复￡。泊松比ｕＮ／ｒｒ茁，软制２ｌＯ２ｌｘｌ０５０３低软钢２ｌ×１０５Ｏ３投低软钢ｌ。０１２２ｌ×１０５０３经ａｎｓＹｓ有限元计算分析，十字核心钢杆应力云图如幽六所示。杆身虽大应力出现在中间缺陷处｛ｉ么：Ｉ图六十字核心钢杆ｍｉｓｅｓ云Ａｍｖｓ育限元模拟慨周循环加载引算得到的滞回曲线．如图屯所示－⋯一⋯—＝鬟【。卜要｛＾－兰＿一：一。ｊ１５０Ｎ’Ⅱ帅：闰七软钢支撑位移应力滞回瞳线从ａｎｓｙｓ有限元分析得到的滞回曲线来看，三个滞回曲线均较饱满，其中ｄ，＝１００Ｎ，ｒｒｕｎｌ的极低强度软钢耗能器表现出了更加良好的塑性爱形能力和滞回耗能性能。４．软钢支撑耗能器屈盐稳定性的ａｎｓｙｓ分析考虑扔始链陷和犬变形，对软钢十字翎杆的屈曲稳定性进行了全过程分昕．其应刀云图如图八所示荷载一位移曲线如图九所示，ｒ／：图八核心钢杆屈服稳定性ｍｊｓｅｓ云图图九十字核心钢杆荷载一位移囤由圈八所见，十字核心钢杆初始出现塑性时局部屈曲的最大峰值出现在设定缺陷娃。由图九可见，十字核心钢杆的失稳荷载低于其极限强班，需外包钢套管予以支捧才能达ｆ０承载全截面破坏６９ｌ５．结论：．１）研制的软钢支撑耗能器构造简单，使用方便，耗能能力强，适宜新建或加固工程中大规模应用：２）软钢支撑耗能器改变了传统支撑受压屈曲的缺点，使其在拉压下均能承载全截面屈服，从而充分耗能；３）极低强度软钢支撑耗能器具有更为优良的塑性变形性能和更强的滞回耗能能力：４）新型耗能器通过设置缺陷控制了塑性耗能和屈服破坏区域。参考文献：Ｕ∞ｉＩｌ蛐ｍｋｅ１）Ｋｅｌｌｙ，Ｊ．Ｍ．，ｓｋｉｒｕｌｅｒ，Ｒ．Ｉ．姐ｄＨｅ妇Ａ．Ｊ．（１９７２）．ＭｅｃｈａＩｌｉｓ船ｏｆＥｎｅｒｇｙＡｂｓｏ中ｔｉｏｎｉｎＳｐｅｃｉａｌＤｅｖｉｃｅｓｆｏｒＲｅｓｉｓｔａｍＳ眦ｔｌｌｒ璐．ＢｕＵ．Ｎ．ｚ．Ｎａｔ．Ｓｏｃ．矗）ｒＥａｒｎｌｑｌｌａｋｅＥＩ】舀ｎｏｅｒｉｌ】ｇ肋１．５№．３．ＰＰ．６３．８８２）Ｓｂｎｎｃｒ＇Ｒ．Ｉ．，Ｋｃｌｌ”．Ｍ．ａｎｄＨｅｉｎｅＡ．Ｊ．（１９７５）．Ｈｙｓ自ｅｒｅｓｉｓＤ锄：ｌｐｅｒｓｆｏｒＥａｒｔｈｑｌｌａｋｅＲｃｓｉＳ纽１ｔＳ仇ｌｃｔｕｒｅｅｓ，Ｅａｍｌｑｕａｌ（ｅＥｎ百ｎｅ耐ｎｇ锄ｄＳ仃ｕｃｔｕｍｌＤｙＩｌａｎｌｉｃｓ，Ｖ｜ｏｌ，．３．ＰＰ．２８７．２９６３）欧进萍、吴斌，组合钢板耗能器——一种新型耗能减震装置，地震工程与工程振动，１９９７（３）：３２．３９４）中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范ＧＢ５００１１—２００ｌ。新型软钢支撑耗能器的滞回性能和屈曲性能分析作者：作者单位：章丛俊， 李爱群， 赵福令东南大学土木工程学院 ,南京210096本文读者也读过

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