防屈曲鋼支撐阻尼器的試驗(yàn)及簡化計(jì)算模型

防屈曲鋼支撐阻尼器的試驗(yàn)及簡化計(jì)算模型摘要：本文對(duì)一字形內(nèi)芯外包鋼管的防屈曲鋼支撐阻尼器(BRB)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并確定其簡化計(jì)算模型。BRB的靜力往復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明它具有很好的滯回特性和耗能性能。對(duì)裝有BRB的結(jié)構(gòu)進(jìn)行子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)，結(jié)果表明地震作用下裝有BRB的結(jié)構(gòu)的抗震能力得到了很大的提高，BRB有效地降低了結(jié)構(gòu)的最大位移。通過三種方法確定模擬BRB滯回特性的簡化計(jì)算模型，分別用ANSYS軟件進(jìn)行理論分析并與試驗(yàn)得到的BRB結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行比較，結(jié)果表明利用耗能面積相等確定的雙線性模型最合理。關(guān)鍵詞：防屈曲鋼支撐阻尼器；靜力往復(fù)試驗(yàn)；滯回特性；子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)；雙線性模型Testandsimplifiedmodelofallsteelbuckling-restrainedbracesAbstract：Testsareconductedonallsteelbuckling-restrainedbraces(BRBs),eachconsistingofasteelflatbarencasedinasquaresteeltube.TheresultsfromstaticcyclictestsdemonstratethestablehystereticbehaviorandsubstantialenergyabsorptioncapacityoftheBRB.InsubstructurepseudodynamictestsperformedonastructurewithBRB,theallsteelBRBssuppresssignificantlytheseismicresponseofthestructurebydissipatingmostofthevibrationenergythroughinelasticdeformation.BilinearmodelssimulatinghysteresticbehaviorofBRBsaredeterminedbythreemethods.ThestructuralresponsescomputedbythethreemethodsfromANSYSsoftwarearecomparedwiththatfromthetests.Thecomparisonshowsthatthebilinearmodelistherationalonewhichareaofenergyabsorptionisequaltothatofhystereticcurvefromthetest.Keyword：allsteelbuckling-restrainedbrace;staticcyclicloadingtest;hystereticcharacteristics;substructurepseudodynamictest;bilinearmodel引言防屈曲鋼支撐阻尼器(BRB)是一種受壓時(shí)不易發(fā)生屈曲的軸力構(gòu)件，目前已在多座建筑中得到應(yīng)用[1-4]。典型的BRB由三部分組成，承受大部分軸向力的內(nèi)芯耗能部分、有側(cè)向約束作用的鋼管混凝土，和減小摩擦阻力的無粘結(jié)材料[5]。內(nèi)芯耗能部分可以應(yīng)用各種類型的鋼結(jié)構(gòu)斷面[3,6]，比較典型的是內(nèi)芯為十字形型鋼。本文研究的BRB由兩部分組成，內(nèi)芯為一字形鋼截面，具有耗能作用，外部鋼管起到側(cè)向約束作用并防止整體屈曲。由于鋼板間的摩擦力頗小，故可不采用無粘結(jié)材料也能達(dá)到良好的側(cè)向約束效果，這種外包鋼管的阻尼器的特點(diǎn)是制作比外包鋼管混凝土的阻尼器簡單得多。我們對(duì)這種阻尼器進(jìn)行靜力往復(fù)試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)結(jié)果表明它具有很好的滯回特性和耗能性能。將BRBs配置到結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)奈恢茫纬煞狼撝巫枘釡p振結(jié)構(gòu)(簡稱BRB結(jié)構(gòu))，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)[8]，結(jié)果表明地震作用下BRB結(jié)構(gòu)的抗震能力得到了很大的提高，BRB有效地降低了結(jié)構(gòu)的最大位移。此外，為了很好的模擬BRB的滯回特性，我們用三種方法確定可以模擬BRB的雙線性模型，分別利用這三種模型進(jìn)行ANSYS理論分析，得到的BRBs結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與試驗(yàn)得到的進(jìn)行對(duì)比，選擇最合理的一種雙線性模型作為BRB的簡化模型。試驗(yàn)概況靜力往復(fù)試驗(yàn)和子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)所用試件的參數(shù)見表1，其中試件的屈曲力近似等于鋼管的臨界屈曲力[5]。試件尺寸如圖2所示。試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)力學(xué)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心250噸MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見圖3。表1試件參數(shù)明細(xì)表Table1Specimenparameters內(nèi)芯鋼管屈曲力(KN)圖3裝置圖Fig.3phootogrraphofeexperrimenntalsetuup寬(mm)厚(mm)面積(mm2)截面尺寸(mmm×mm))721393670×4.81326.033圖2試件示意意圖Fig.2DDimennsionnsoffbuccklinng-reestraaineddbracee試驗(yàn)研究2.1靜力往復(fù)試驗(yàn)靜力往復(fù)試驗(yàn)的目的是研究防屈曲鋼支撐阻尼器的滯回性能，試件的加載方式采用變幅位移控制加載，主要參數(shù)見表2，加載歷程如圖4所示。表2靜力往復(fù)試驗(yàn)的加載參數(shù)Table2Specimenparameters第～周位移振幅(mmm)應(yīng)變(％)延性圖4靜力往復(fù)試驗(yàn)的的加載歷程程Fig.4LLoadiinghhistooryfforsstatiicteests1～22.680.2352.353～45.360.4704.705～68.040.7057.057～810.720.9409.409～1013.401.17511.7511～1216.081.41014.11圖5為試驗(yàn)得到的滯回曲線，從圖中可以看到，BRB在受拉、受壓時(shí)都能屈服，位移加載到第11周整體屈曲破壞，最大位移達(dá)到16.08mm。滯回圈飽滿，沒有頸縮和強(qiáng)度折減的現(xiàn)象。軸向拉力和軸向壓力差較小，說明鋼板間的摩擦力很小。這樣防止了軸向壓力強(qiáng)度過度提高，避免鋼管不能提供有效的側(cè)向約束能力，也避免了試件發(fā)生局部屈曲破壞，確保了阻尼器達(dá)到很好的耗能作用[9]。試件在各個(gè)反復(fù)位移下的拉壓差隨著反復(fù)應(yīng)變?cè)黾佣黾印?.2子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)為研究裝有防屈曲鋼支撐阻尼器的框架在地震下的動(dòng)力反應(yīng)，本文選擇兩層裝有BRBs的鋼框架進(jìn)行子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)，如圖6所示。從圖中可以看出，作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的阻尼器呈復(fù)雜的非線性特征，可由試驗(yàn)獲得。而作為計(jì)算子結(jié)構(gòu)的框架處于彈性狀態(tài)，可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，采用中央差分法數(shù)值求解動(dòng)力方程[10]。子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)大大地降低了試件的尺寸和規(guī)模，從而解決了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模對(duì)大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的限制，同時(shí)也降低了費(fèi)用。采用的算例是一幢兩層鋼框架，平面圖及剖面圖如圖7所示。框架梁、柱均采用焊接H型鋼截面，材質(zhì)均為Q235鋼；梁、柱節(jié)點(diǎn)采用現(xiàn)場焊接連接；框架柱考慮在現(xiàn)場吊裝。屋（樓）面構(gòu)造均采用預(yù)制肋式鋼筋混凝土板上加40mm配筋整澆層。外墻采用加氣混土（200厚）外包砌筑，并分別由各層墻梁支托。風(fēng)荷載及雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.35KN/m2及0.4KN/m2，各層樓蓋上活荷載標(biāo)準(zhǔn)值均為5.0KN/m2，屋面活圖5(a)破壞形態(tài)圖(b)滯回曲線Fig.5(a)Failureofspecimen(b)Recordedforce-displacement計(jì)算子結(jié)構(gòu)計(jì)算子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒直至實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)達(dá)到指定位移，并測量其反力實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的反力實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和計(jì)算子結(jié)構(gòu)界面的位移計(jì)算在測的反力及外荷載作用下的位移外荷載圖6子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)圖Fig.6Schematicofsubstructurepseudodynamictestofstructurewithbrace荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.7KN/m2。抗震設(shè)防烈度為9度，并按Ⅱ類場地土及近震條件考慮。ANSYS模態(tài)分析結(jié)果顯示框架結(jié)構(gòu)(沒有BRB的結(jié)構(gòu)，即無控結(jié)構(gòu))兩個(gè)周期依次為0.3958秒、0.1544秒。在框架的底層安裝兩支BRBs，其內(nèi)芯材質(zhì)為Q235鋼，安裝位置如圖7所示。BRB的尺寸參數(shù)見表1。圖7二層鋼框架示意圖（a）平面圖（b）剖面圖Fig.7Two-storysteelframe（a）Planview（b）Sectionview試驗(yàn)中把結(jié)構(gòu)簡化成兩自由度的模型作為計(jì)算子結(jié)構(gòu)，模型確定如下：取一半框架，即圖7(a)中左邊的3榀半，裝有一支BRB，將這樣的框架結(jié)構(gòu)按幾何相似比1：3轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)模型，以下均采用該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，除去BRB的無控結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣由ANSYS算得：，地震波選用Elcentro波，峰值加速度為600gal，時(shí)間步長0.01s，按相似比換算后時(shí)間步長△t為0.00577s。BRB彈性剛度K0為140KN/mm，ω1△t、ω2△t(ω為結(jié)構(gòu)圓頻率)分別為0.092、0.023，二者均小于2，所以應(yīng)用中央差分法是穩(wěn)定的。圖8(a)為試件在地震作用下子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)的滯洄曲線，滯洄圈較為飽滿，軸向拉壓差很小，試件最終沒有破壞。圖8(b)給出了試件前3.5秒底層的水平位移、計(jì)算得到的無控體系的底層水平位移，從圖中可以看到，試驗(yàn)結(jié)果的正向和負(fù)向最大位移分別為9.88mm和-7.48mm。無控結(jié)構(gòu)的最大位移為22.19mm，顯然有控結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)明顯小于無控結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，最大位移降低了55.5％圖8(a)試驗(yàn)得到的滯回曲線(b)試驗(yàn)及無控體系的位移時(shí)程Fig.8(a)Recordedforce-displacement(b)Displacementtimehistoryofstructure簡化計(jì)算模型下面分別應(yīng)用三種方法建立BRB的簡化計(jì)算模型，通過ANSYS軟件對(duì)BRBs結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定可以模擬BRB的最合理的雙線性模型。簡化模型1：直接利用靜力試驗(yàn)曲線(見圖9(a))確定初始剛度K0為140kN/mm，屈服力為300kN，第二剛度系數(shù)為5.81％。圖9(b)顯示了ANSYS分析得到的和試驗(yàn)得到的前3.5sBRB的滯回曲線，它們的恢復(fù)力最大值有較明顯的差別。圖9(c)為ANSYS分析與試驗(yàn)得到的前3.5s底層樓層水平位移時(shí)程，從圖中可以看到，ANSYS分析與試驗(yàn)得到的底層水平位移比較相近。圖9(a)模型1(b)應(yīng)用模型1進(jìn)行ANSYS分析及試驗(yàn)得到的滯回曲線(c)底層水平位移時(shí)程Fig.8(a)model1(b)HystereticcurvefromANSYSsoftwarewithmodel1andtest(c)horizontaldisplacementof1thstory簡化模型2：確定初始剛度K0仍為140kN/mm，以K0為斜率作一直線，如圖10(a)所示，與靜力試驗(yàn)得到的滯回圈（位移振幅為8.04mm）的交點(diǎn)(2.34mm，328kN)作為屈服點(diǎn)，把屈服點(diǎn)與滯回圈幅值連線作為屈服后剛度，第二剛度系數(shù)為6.11％，從而確定等效平行四邊形。圖2對(duì)比了ANSYS分析與試驗(yàn)的滯回曲線，阻尼器恢復(fù)力最大值、位移最大值、滯回曲線形狀與試驗(yàn)值較接近，顯然比模型1模擬得更好。在位移時(shí)程曲線中，最大位移比模型1更接近試驗(yàn)值。圖10(a)模型2(b)應(yīng)用模型2進(jìn)行ANSYS分析及試驗(yàn)得到的滯回曲線(c)底層水平位移時(shí)程Fig.9(a)model2(b)HystereticcurvefromANSYSsoftwarewithmodel2andtest(c)horizontaldisplacementof1thstory簡化模型3：把實(shí)驗(yàn)曲線等效為雙線性模型，等效原則為平行四邊形面積與滯回環(huán)（靜力試驗(yàn)中位移振幅為8.04mm的滯回環(huán)）面積相等，即二者耗能面積相等。等效四邊形的一對(duì)平行邊的斜率采用初始剛度K0(見圖11(a))，以滯回環(huán)幅值點(diǎn)作為平行四邊形的角點(diǎn)，在初始剛度線上確定等效屈服點(diǎn)為（2.17mm，304kN），滯回環(huán)幅值點(diǎn)與屈服點(diǎn)相連形成屈服后剛度，第二剛度系數(shù)為8.80％。圖11為用此模型進(jìn)行ANSYS分析與試驗(yàn)滯回曲線的對(duì)比，從圖11(a)可以看出，模型3與模型2的雙線性模型有些相似。但模型3在BRB滯回曲線的最大位移處比模型2更接近試驗(yàn)值(見圖11(b))，在底層位移時(shí)程對(duì)比中(見圖11(c))也可看出模型3的最大位移更接近試驗(yàn)值。利用三種模型模擬BRB對(duì)阻尼減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS分析，我們把底層水平位移正向、負(fù)向最大值（UX），BRB恢復(fù)力正向、負(fù)向最大值（BRBf），BRB位移正向、負(fù)向最大值（BRBd）與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，見表3所示。從表中可以看出，模型3的正向UX與試驗(yàn)值最接近；模型2的正向恢復(fù)力與試驗(yàn)值最接近；模型3的底層正向位移與試驗(yàn)值最接近。綜上所述，利用耗能面積相等確定的模型3最合理。三種模型得到的負(fù)向最大值都沒有很接近試驗(yàn)值，主要是內(nèi)芯受壓時(shí)鋼管側(cè)向約束產(chǎn)生摩擦力使得壓力增大，而采用的三種雙線性模型均假設(shè)正向負(fù)向屈服強(qiáng)度相同。圖11(a)模型3(b)應(yīng)用模型3進(jìn)行ANSYS分析及試驗(yàn)得到的滯回曲線(c)底層水平位移時(shí)程Fig.10(a)model3(b)HystereticcurvefromANSYSsoftwarewithmodel3andtest(c)horizontaldisplacementof1thstory表3應(yīng)用三種模型算得的反應(yīng)與試驗(yàn)值的對(duì)比Table3ComparisonofresponsesusingthreemodelsandthatfromtestUX(mm)BRBf(N))BRBd(mmm)試驗(yàn)值-6.7911..98-391310033995998-4.718.882模型1-7.4712..91-344820033774220-5.519.552模型2-7.4011..51-374693344006339-5.468.449模型3-7.4811..90-372158844122118-5.528.7774結(jié)語本文分別用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件和試驗(yàn)研究了BRB的滯回性能、動(dòng)力性能，并確定BRB的簡化計(jì)算模型，主要得到以下結(jié)論：BRB在受拉、受壓狀態(tài)下都能屈服，滯回循環(huán)較為飽滿，具有很好的耗能特性。BRB顯著地降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。利用三種方法建立BRB的簡化模型，其中利用耗能面積相等建立BRB的雙線性模型最合理。用此模型進(jìn)行ANSYS分析得到的最大位移和恢復(fù)力均與試驗(yàn)值很接近。ANSYS分析得到的底層樓層的水平位移與試驗(yàn)值吻合得較好，最大值吻合得很好。這說明ANSYS分析和BRB恢復(fù)力模型的選擇及參數(shù)確定基本上是合理的。參