2 有限元分析
211 有限元模型的建立及其验证 本文基于通用有限元程 序 ABAQUS 对低周
反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对横向和纵向 加劲肋的剪切板阻尼器进行了一系列非线性有限 元计算与分析, 研究其滞回性能并预测抗剪极限 强度. 图 2为设有两对双向加劲肋的剪切板阻尼 器有限元模型. 设计参数、数值和理论计算结果见 表 1. 其中, Rw 为腹板柔细比参数, 是设计剪切板 的关键参数 [ 12] , 按式 ( 1) 计算, 即
K ey w ords: shear pane l dam per; u ltim ate shear strength; cy clic load; ABAQU S so ftw are; energy-dissipa tion dev ice; hy steretic perfo rm ance; num erica l sim ulation; earthquake resistant design
陈之毅 1a, 葛汉彬2, 宇佐美勉 2, 袁 勇 1b
( 1. 同济大学 a. 地下建筑与工程系, b. 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 2. 名城大学 建设 ¦ À 工学科, 日本 名 古屋 468-8502 )
摘 要: 为了使剪切板阻尼器具有稳定的滞回耗能特性, 避免其腹板发生局部屈曲, 提出了 一种考
第 33卷 第 2期 2 0 1 1年 4月
沈 阳工 业大学 学报 Journal of Shenyang Un iversity of T echnology
V o l133 No12 Apr1 2 0 1 1
文章编号: 1000- 1646( 2011) 02 - 0219- 07
反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
1 剪切变形能力与要求
作为金属屈服耗能构件, 剪切板阻尼器通过 塑性屈服滞回变形而耗散能量, 因此, 它的耗能减 震能力主要取决于其塑性 变形能力和耐 疲劳性 能, 必须具有足够的延性承受地震过程中可能遭 受的最大剪切变形. 对于钢筋混凝土框架结构和 多高层钢结构, 现行抗震规范 [ 7] 规定其弹性层间 位移容许值分别为 h / 550和 h / 300, h 为层高. 按 照标准层高 3m, 对于剪切板 支撑组合型结构, 根 据几何条件换算得知, 剪切板阻尼器要求至少具
图 2 有限元模型 F ig1 2 F in ite elem ent m od el
第 2期
陈之毅, 等: 反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
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表 1 剪切板阻尼器的设计参数和计算结果 Tab1 1 Design param eters and calculation resu lts of shear pane l dampers
111 4
441 2
3001 0
131 5
11 381
11 397
01 3
68
141 7
441 2
5331 3
161 7
11 511
11 499
nL = nT = 2 01 5
169
51 9
231 6
3001 0
71 3
11 266
11 231
图 1 剪切板阻尼器在建筑结构中的应用 F ig1 1 App lication of shear pan el damp er in build in gs
有 0102~ 0104剪切变形角能力. T akahash i和 Sh inabe[ 8] 的试 验研究 表明, 当
腹板柔细比参数 Rw [ 0155时, 低屈服钢剪切板阻 尼器 ( LYP100和 LYP 235) 在反 复荷载下的 剪切 变形角可达 0105, 在单调加载情况下则可增大到 011. Chen和 K uo[ 9] 所做试验也证实, 即使剪切变 形角大于 0106, 剪切板也没有发生强度折减. M cDanie l等进行了海湾大桥主塔桅减振用剪切连接 件的低周反复试验, 预计在地震荷载下, TYPE 1 和 TYPE 3的剪切连接件变形要求分别为 0101~ 0102和 0103~ 0104. 实际上, 试验结果显示这两 类形式的剪切连接件变形能力分别达到 0106和 01066, 几乎是要求能力的 2 ~ 3倍. 最后, 试件由 于腹板脆性开裂而破坏.
通过金属材料的弹塑性变形来耗散地震输入 给结构的能量, 从而减轻结构在地震中所遭受的损
害, 这种新的减震耗能概念目前已经在结构设计中 得到广泛的承认和应用. 在建筑结构方面 [ 1] , 剪切
收稿日期: 2010- 01 - 07. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50908169) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( 200802471095) ; 上海市浦江人
设计参数 ( a= bw = 1 m )
数值分析结果 理论计算结果
nL = nT
Rw
bw /tw
tw /mm
tf /mm
b f /mm
ts /mm
Sn, ma x /Sy
Su /Sy
nL = nT = 1 01 5
113
81 8 4
351 4
3001 0
111 4
11 297
11 277
01 4
91
才计划资助项目. 作者简介: 陈之毅 ( 1977 - ) , 女, 江苏吴江人, 讲师, 博士, 主要从事土木工程抗震动力分析和减震耗能技术等方面的研究.
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沈 阳工 业 大 学 学 报
第 33卷
板阻尼器作为金属阻尼器的一种, 已有效用于若干 建筑中, 其形式主要如图 1所示. 在桥梁结构方面, 美国新旧金山 ) ) ) 奥克兰海湾大桥的主塔桅上已 成功安装了一种被称作剪切连接件 ( shear link )的 减震耗能构件 [ 2] , 相当于 3个并排安装的剪切板阻 尼器. 在强风或强震中, 这些金属阻尼器发生剪切 变形, 从而耗散地震输入能量, 衰减结构振动. 为了 在实际结构设计中有效地考虑这些装置, 设计者必 须能够准确描述这些阻尼器在任意周期荷载作用 下预期的非线性力 位移曲线, 预测其极限强度, 从 而对其进行合理设计和优化布置. 当前, 剪切板阻 尼器的设计仍主要参照工字形钢梁的抗剪承载力 公式进行计算 [ 3- 5] , 后者的计算方法不同之处主要 在于拉力场的分布形 式以及是否考 虑翼缘的贡 献 [ 6] . 然而, 为了保证稳定、饱满的滞回性能, 实际 的剪切板阻尼器腹板厚度通常较普通工字形钢梁 的大, 这使得剪切板阻尼器腹板在屈曲前已经充分 进入塑性, 不存在拉力场对后屈曲强度的贡献. 其 次, 作为耗能器, 剪切板通常经历较大的非线性变 形, 为保证对腹板的有效约束, 翼缘也比普通工字 形钢梁的厚, 这使得翼缘在充当腹板约束边界的同 时, 增加了阻尼器的总抗剪强度. 鉴于此, 有必要对 低周反复荷载作用下的剪切板阻尼器滞回性能和 极限抗剪强度进行深入研究, 重新评价翼缘对于总 抗剪强度的影响与贡献.
由于本文中所 使用的钢材双 屈服面本 构模 型 [ 10] 不能描述疲劳破坏现象, 因此, 数值分析中, 反复加载上限设为 01034, 对于普通软钢即相当 于 20Cy ( Cy 为屈服剪应变 ), 通常认为在此范围内 钢材不会发生低周疲劳破坏 [ 11] . 结合上述试验研 究结果, 可以认为 01034的上限是偏于保守的, 在 工程实际中足以提供安全保障.
虑翼缘抗弯承载力贡献的剪切板阻尼 器抗剪极限强度计算公式, 为剪切板 阻尼器的设 计与应用提
供了参考. 剪切板阻尼器作为消能减震 装置应 用于建 筑和桥梁 等工程 结构, 可有 效减轻 地震破坏
作用. 基于通用有限元程序 ABAQU S, 对反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对双向加劲肋的剪切板
阻尼器进行了一系列的精细化有限元 计算与分析. 计算模型考虑 了初始变 形和残余应 力两种初始
文献标志码: A
U ltim ate shear strength of shear panel damper under cyclic load
CHEN Z h-i y i1a, G E H an-b in2, U SAM I T sutom u2, YU AN Y ong1b
( 1a. D epa rtm ent o f G eo technical Eng ineering, 1b. K ey L abo ra tory o f G eo techn ica l and U nderground Eng ineer ing o fM in istry o f Educatio n, T ong jiU n iv ersity, Shangha i 200092, C hina; 2. D epar tm ent o f C iv il Eng ineering, M e ijo U n iv ersity, N ag oya 468-8502, Japan)
Abstract: In o rder to ensure the stable hysteretic energy capacity o f shear pane l dam per and avo id the buck ling o f w eb p late, the ca lculat ing fo rm ulas for the u ltim ate shear streng th o f shear panel dam per w ith acco un ting for the bend resisting con tribution o f the f langesw ere propo sed, w hich can prov ide the references fo r design and use o f shear panel dam pers. T he shear pane l dam pers can be used a s the energy d issipat ion dev ices in building and bridge struc tures to m it iga te the se ism ic hazard e ffectiv ely. Ba sed on the un iversa l f inite e lem ent prog ram ABAQU S, a series o f ref inem ent f in ite e lem en t ca lcu la tion and analy sis w ere conducted on the shear pane l dam persw ith one-sided st iffeners under cy clic load. In the ca lculation m ode,l the initial defo rm ation and residua l stress w ere taken in to accoun,t and a m od if ied double-y ie ld surface m ode l w as adop ted to describe the const itutive relationsh ip o f stee l m ater ia l under cyclic load ing. T he research resu lts show that the shear bo rne by the f langesm ay be 13% to 28% o f to ta l shear capacity, w hich canno t be neg lected in de sign.