屈曲約束折形疊合耗能器試驗(yàn)和模擬分析

楊熠明，楊 溥，舒 媛，李英民，馮力強(qiáng)，張孝斌

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)有限公司，蘭州 730050)

傳統(tǒng)的梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下由梁端或柱端出現(xiàn)塑性鉸而耗能，這種做法既不經(jīng)濟(jì)也不方便修復(fù)，為保證主體結(jié)構(gòu)在地震作用中不產(chǎn)生損傷，研究者提出了自復(fù)位結(jié)構(gòu)形式減小震后殘余變形，將結(jié)構(gòu)損傷集中于耗能裝置，地震后更換耗能器即可恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能。耗能裝置作為自復(fù)位消能減震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵裝置，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此展開了研究[1-2]。而軟鋼阻尼器作為一種力學(xué)模型明確、材料易得、更換方便的阻尼器，具有良好的變形性能和穩(wěn)定的滯回特性，能夠給結(jié)構(gòu)提供額外的剛度，設(shè)計(jì)時(shí)通常小震時(shí)起支撐作用，大震時(shí)發(fā)揮消能作用。Kelly 等[3-4]在提出被動(dòng)耗能減振概念，首次將承載功能和耗能功能分開，將耗能轉(zhuǎn)移到阻尼器中，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供了新思路，隨后學(xué)者們圍繞這一思路進(jìn)行了多種阻尼器的研究。目前,多數(shù)軟鋼阻尼器為單片軟鋼阻尼器，Whittaker等[5]和Tsai等[6]分別提出了X型鋼板和三角形鋼板阻尼器，在此基礎(chǔ)上改變鋼板幾何形狀以產(chǎn)生多點(diǎn)屈服[7-9]，使鋼板充分發(fā)揮耗能作用，也有學(xué)者提出多片加勁型軟鋼耗能器[10]，由定位裝置和平行單片鋼板組裝而成，以及四連桿機(jī)構(gòu)鋼板阻尼器[11]，以上阻尼器均是安裝于層間支撐處，由層間位移帶動(dòng)阻尼器耗能。另一些軟鋼阻尼器可應(yīng)用于柱腳或梁柱節(jié)點(diǎn)處，由主體結(jié)構(gòu)間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)阻尼器耗能，柱腳處可安裝防屈曲支撐形式的軟鋼阻尼器[12-13]或防屈曲鋼板形式的阻尼器[14]，現(xiàn)有的應(yīng)用于梁柱節(jié)點(diǎn)處的軟鋼阻尼器有扇形阻尼器[15]和角鋼阻尼器[16-17]。其中扇形阻尼器體積較大，角鋼阻尼器容易剛度退化且失效快、不易更換。同時(shí)針對(duì)自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的可修復(fù)性能需求，需要設(shè)計(jì)一種方便更換的耗能器。

文中提出一種屈曲約束折形疊合耗能板,如圖1所示。可用高強(qiáng)螺栓裝配到鋼框架節(jié)點(diǎn)或鋼筋混凝土柱-鋼梁自復(fù)位節(jié)點(diǎn)處，耗能器與節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)，在現(xiàn)有的位移條件下不會(huì)發(fā)生拉斷、平面外屈曲等非理想的破壞情況。對(duì)自復(fù)位結(jié)構(gòu)而言，該耗能器也是加強(qiáng)板和抗剪抗彎連接裝置。文中對(duì)該耗能器進(jìn)行單軸拉壓試驗(yàn)以測(cè)試其耗能能力、剛度、承載力和連接強(qiáng)度等性能，并采用ABAQUS有限元軟件對(duì)該耗能器進(jìn)行模擬分析。

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

1 耗能器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造

耗能器構(gòu)造及組裝如圖2所示，采用高強(qiáng)螺栓連接，可將耗能器方便地應(yīng)用于自復(fù)位鋼框架節(jié)點(diǎn)或混凝土柱與鋼梁組合(RCS)節(jié)點(diǎn)中。屈曲約束折形疊合耗能器主要由折形耗能芯板和附加約束部件兩部分組成。折形耗能芯板中部為削弱耗能段，耗能段的長(zhǎng)度和截面面積對(duì)耗能器的各項(xiàng)性能均有影響，耗能段的截面較小，在受拉壓時(shí)最先達(dá)到屈服，從而快速耗散地震能量；兩端為連接段，分別開孔用螺栓連接至梁側(cè)和柱側(cè)(短邊為柱側(cè)連接段，長(zhǎng)邊為梁側(cè)連接段)；連接段與耗能段之間圓滑過(guò)渡，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。附加約束部件包括梁側(cè)蓋板、柱側(cè)蓋板和側(cè)向墊塊，這些蓋板和夾板同時(shí)起到屈曲約束和梁端加強(qiáng)的作用。需要注意的是，芯板彎折段設(shè)長(zhǎng)圓孔、蓋板和鋼梁設(shè)圓孔，使耗能芯板可以相對(duì)蓋板和鋼梁移動(dòng)，保證芯板在地震作用下能有充分的變形來(lái)耗散能量、而梁側(cè)彎折處的螺栓并不傳遞剪力。

圖2 耗能器構(gòu)造示意圖

耗能器的連接全部采用高強(qiáng)螺栓，便于更換，附加約束部件也可重復(fù)利用。能很好地實(shí)現(xiàn)自復(fù)位結(jié)構(gòu)中對(duì)于節(jié)點(diǎn)的可修復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的震后快速回復(fù)功能。相比于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)或者RCS節(jié)點(diǎn)的剛性連接方式，這種屈曲約束折形疊合鋼板耗能器不會(huì)占用額外的空間，能夠很好地匹配現(xiàn)有的樓板墻板設(shè)計(jì)方式。在阻尼器試驗(yàn)中，額外設(shè)置了一塊內(nèi)約束蓋板代替實(shí)際節(jié)點(diǎn)中的工字鋼梁，體現(xiàn)鋼梁對(duì)耗能芯板的屈曲約束。由于泊松效應(yīng)，耗能芯板受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向變形，故梁側(cè)蓋板和耗能芯板之間使用螺栓墊片調(diào)整1 mm的間隙，側(cè)向墊塊也與耗能段保持2 mm的間距。側(cè)向墊塊加強(qiáng)了梁側(cè)蓋板的平面外剛度。柱側(cè)蓋板為耗能芯板的重要錨固構(gòu)件，用來(lái)保證耗能板與柱端的穩(wěn)固連接。這些附加約束部件共同保證了耗能板在地震作用下僅發(fā)生沿梁長(zhǎng)方向的軸向變形，對(duì)耗能芯板起到屈曲約束的作用，同時(shí)還可對(duì)鋼梁翼緣起到一定的加強(qiáng)作用。

2 試驗(yàn)加載及測(cè)量

2.1 試驗(yàn)分組

根據(jù)阻尼器性能參數(shù)，阻尼器試驗(yàn)共分為3組，每組2 個(gè)試件，耗能芯板尺寸如圖3所示，具體參數(shù)和編號(hào)如表1所示。

圖3 耗能內(nèi)芯板尺寸

表1 試驗(yàn)分組

2.2 加載裝置

試驗(yàn)在重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，軸向加載采用50 t液壓千斤頂進(jìn)行往復(fù)加載。在耗能器加載平面外放置側(cè)向約束裝置，以防止加載過(guò)程中的試件出現(xiàn)平面外偏移或扭轉(zhuǎn)。耗能芯板的柱側(cè)連接段與剛度較大的連接支座相連。施加的荷載值由千斤頂下面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量并控制，耗能器各處的位移值由位移計(jì)測(cè)量，這些數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。具體設(shè)置如圖4所示。

圖4 加載裝置示意圖

2.3 加載制度

加載方式為單向拉壓加載，整個(gè)加載過(guò)程采用位移控制，根據(jù)美國(guó)AISC(2005)規(guī)范關(guān)于梁柱節(jié)點(diǎn)加載制度的規(guī)定確定設(shè)置此類耗能器的節(jié)點(diǎn)應(yīng)達(dá)到的變形程度，換算得到耗能器的加載位移幅值，各加載級(jí)的位移值如圖5所示，耗能器加載至最大位移12 mm時(shí)，可等效至節(jié)點(diǎn)達(dá)到4%層間位移角時(shí)的耗能器變形。試驗(yàn)過(guò)程中保持加載的連續(xù)性和均勻性。

圖5 加載制度

2.4 材性試驗(yàn)

耗能器試驗(yàn)構(gòu)件所用的材料為：耗能芯板采用Q235軟鋼材料，附加約束部件均采用Q345鋼材，如表2所示。

表2 各材料力學(xué)性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

耗能器試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象：1)6組耗能器在試驗(yàn)過(guò)程中均出現(xiàn)了高強(qiáng)螺栓相對(duì)鋼板錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象。從第5個(gè)加載級(jí)(加載位移4.5 mm，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)層間位移角1.5%)開始后的每個(gè)加載級(jí)中，加載至20 kN時(shí)，裝置發(fā)出較大的連續(xù)響聲，同時(shí)試驗(yàn)曲線出現(xiàn)相應(yīng)的搓齒狀。通過(guò)觀察螺栓處的標(biāo)記，可知產(chǎn)生這種情況的原因是螺栓相對(duì)鋼板的錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)位移值約為1 mm。2)如圖6所示，側(cè)邊白色標(biāo)記可以明顯觀察到梁側(cè)蓋板與耗能芯板的相對(duì)位移，證明耗能芯板的耗能段能夠較好地實(shí)現(xiàn)屈服耗能，梁側(cè)和柱側(cè)蓋板均無(wú)變形，裝置未見失穩(wěn)現(xiàn)象。3)在加載時(shí)，折形耗能芯板的柱側(cè)部分發(fā)生開口現(xiàn)象，彎折部分變形明顯，開口高度約為當(dāng)前加載位移的1/3，表明除卻芯板耗能段有屈服耗能外，彎折處也發(fā)生了類似于傳統(tǒng)角鋼阻尼器的屈服變形耗能現(xiàn)象。這之后的每個(gè)加載循環(huán)中，加載位移歸零時(shí)觀察到底部彎折部分向梁側(cè)方向彎曲成一弧度。如圖6所示，耗能器的破壞形態(tài)為彎折部分有較大變形，連接段、底部螺栓孔有一定程度的變形。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)

3.2 滯回曲線

耗能器的滯回曲線是在單向循環(huán)豎向軸力作用下得到的耗能芯板軸向位移-軸力曲線。圖7所示為6組耗能器耗能芯板的滯回曲線，軸力以受拉為正，軸向位移以伸長(zhǎng)為正。由圖7可知，耗能器初始剛度較大，整體滯回曲線較為飽滿，呈現(xiàn)出較好的耗能能力。各組耗能器分別在加載至2～4 mm時(shí)出現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階，橫截面積越大的耗能器屈服臺(tái)階出現(xiàn)的也越晚。屈服臺(tái)階出現(xiàn)之后，橫截面積大的耗能器滯回曲線更加飽滿，具有更強(qiáng)的耗能能力。

圖7 軸力-軸向位移滯回曲線

耗能芯板柱側(cè)連接段在受拉時(shí)有開口現(xiàn)象，此處鋼板變形較大，造成了彎折部分也參與了耗能。如圖8所示，參考純角鋼耗能曲線[18]和中間段削弱的軟鋼耗能試驗(yàn)曲線[19]，可以看出，本次耗能器試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合了二者的耗能特點(diǎn)，在每一級(jí)加載制度的第一個(gè)循環(huán)呈現(xiàn)與中間段削弱的軟鋼耗能的耗能曲線相似的形狀，有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，之后的循環(huán)沿上一次的卸載曲線上升，呈現(xiàn)尖角形的耗能曲線。產(chǎn)生此現(xiàn)象的部分原因是，內(nèi)約束蓋板和螺栓連接的強(qiáng)度不夠，無(wú)法達(dá)到實(shí)際的剛度條件。故每個(gè)加載級(jí)別的第一次加載循環(huán)中，耗能芯板被壓回原位時(shí)，內(nèi)約束板無(wú)法完全將其約束至原形，導(dǎo)致彎折段有較大彎曲變形，在隨后的加載循環(huán)中剛度退化嚴(yán)重，滯回曲線不如首次循環(huán)飽滿，呈現(xiàn)出角鋼耗能曲線的特點(diǎn)。螺栓的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象在每組試件的耗能曲線20 kN荷載時(shí)均有出現(xiàn)，曲線呈現(xiàn)橫向的抖動(dòng)，在試驗(yàn)中有劇烈的異響。

圖8 其他形式阻尼器滯回曲線

3.3 耗能分析

將耗能器在每一加載級(jí)的前2個(gè)循環(huán)的耗能面積整理如圖9所示。由圖可知：

圖9 軸向位移—耗能面積圖

1)軸向位移增大，滯回環(huán)的耗能面積隨之增大；每一個(gè)加載級(jí)的第二個(gè)循環(huán)的耗能面積與第一個(gè)循環(huán)相比降低較多，原因是第二個(gè)循環(huán)的曲線更接近于角鋼的變化特點(diǎn)，耗能能力不足。

2)耗能器的耗能能力與耗能段截面面積成正相關(guān)。在相同的連接強(qiáng)度下，耗能段截面面積越大，滯回環(huán)面積越大，耗能器耗能能力越強(qiáng)，如1-A和2-A、1-B和2-B；對(duì)于3-A和3-B，耗能段截面面積太大導(dǎo)致完成試驗(yàn)所需的約束也更強(qiáng)，而柱側(cè)連接段和內(nèi)側(cè)約束板的剛度并不能完全滿足，因此這2組試驗(yàn)的彎折處變形遠(yuǎn)大于橫截面積較小的4組試驗(yàn)，在較大的荷載作用下，曲線類似于角鋼的耗能特點(diǎn)，角鋼的耗能不如鋼板耗能飽滿，總體而言，3-A和3-B的耗能面積反而較小，特別是每一級(jí)加載的第二循環(huán)，耗能極差。

4 耗能器模擬分析

4.1 耗能器有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)耗能器進(jìn)行數(shù)值分析。模型包括耗能芯板、內(nèi)外蓋板、壓塊和底座。由于在加載過(guò)程中耗能芯板與其余構(gòu)件都有接觸，所有構(gòu)件都采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分實(shí)體單元，使計(jì)算容易收斂。耗能芯板的梁身受力連接段與蓋板上部使用綁定連接，耗能芯板的耗能段、過(guò)渡段和不受力連接段與蓋板建立接觸，耗能芯板的柱身受力連接段與壓塊和底座建立接觸。在底座、耗能芯板的柱身受力連接段部分端面建立固定邊界條件，以防止在加載過(guò)程中產(chǎn)生位移，通過(guò)對(duì)柱側(cè)蓋板一定程度的放松約束來(lái)模擬實(shí)際的蓋板剛度。模型的加載制度與試驗(yàn)一致。模型的材料定義參考材性試驗(yàn)確定，鋼材的本構(gòu)采用雙折線模型。

4.2 滯回曲線對(duì)比

圖10為屈曲約束折形疊合耗能器試驗(yàn)與模擬的滯回曲線對(duì)比圖?？梢钥闯?，模擬與試驗(yàn)曲線在耗能芯板進(jìn)入屈服平臺(tái)的軸力和受拉承載力相符，初始剛度、受拉屈服后剛度、受壓剛度較為吻合。對(duì)于進(jìn)入屈服狀態(tài)后的每一加載級(jí)，數(shù)值模擬中芯板的柱側(cè)連接段與壓塊的快速接觸使第二次循環(huán)的上升段曲線有一個(gè)較大的剛度變化，而試驗(yàn)中的剛度變化則更加平緩。

圖10 荷載-位移曲線對(duì)比分析

圖11為耗能芯板的應(yīng)力云圖，達(dá)到塑性應(yīng)力部分的變形包括柱身受力連接段的受彎變形、梁側(cè)受力連接段和彎折段的拉壓變形，前者是造成角鋼耗能形式的原因，后兩者則是鋼板的耗能形式。

圖11 耗能芯板應(yīng)力云圖

4.3 改進(jìn)后的耗能器模擬

折形耗能芯板的連接強(qiáng)度和約束剛度對(duì)耗能器參與耗能的部位以及耗能能力有較大的影響，根據(jù)試驗(yàn)和模擬結(jié)果，對(duì)此耗能器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)裝置提出如下的改進(jìn)建議，并對(duì)改進(jìn)后的耗能器進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1)耗能芯板的柱側(cè)連接段需加強(qiáng)，考慮鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中螺栓孔的間距限制，以及和節(jié)點(diǎn)的尺寸協(xié)調(diào)，僅將耗能芯板的柱側(cè)連接段適當(dāng)加寬。

2)試驗(yàn)中由于采用的是高強(qiáng)螺栓承壓型連接，鋼板之間有較明顯的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，將之改為高強(qiáng)螺栓摩擦型連接能更好地保證耗能器的性能。

3)試驗(yàn)裝置的剛度不夠會(huì)導(dǎo)致耗能器的性能無(wú)法完全在試驗(yàn)中發(fā)揮。在實(shí)際的梁柱節(jié)點(diǎn)中，鋼梁和蓋板能提供較大的約束作用。試驗(yàn)中只對(duì)千斤頂與耗能器的連接段進(jìn)行軸向和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，耗能器彎折部位仍有較大的彎曲存在，在試驗(yàn)裝置此處增加額外的約束裝置可得到更好的試驗(yàn)效果。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的耗能器模擬工作，耗能芯板的柱身受力連接段寬度增大并將其完全固定；對(duì)蓋板施加只在軸向運(yùn)動(dòng)的約束。改進(jìn)后的耗能器模擬的軸向位移-軸力滯回曲線如圖12所示。與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)曲線相比，滯回環(huán)更飽滿，初始剛度更大，承載力也更大。

圖12 改進(jìn)后耗能器滯回曲線

圖13為改進(jìn)后耗能芯板的應(yīng)力云圖，可見耗能基本集中在中間削弱段，達(dá)到了較佳的耗能狀態(tài)。

圖13 改進(jìn)后耗能器應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

通過(guò)屈曲約束折形疊合鋼板耗能器的試驗(yàn)和有限元模擬，主要得到以下結(jié)論：

1)該耗能器裝拆方便，更換耗能器耗能芯板即可恢復(fù)其抗震性能，能夠?qū)崿F(xiàn)“可更換”的性能目標(biāo)，作為自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能器使用。

2)該耗能器具有較好的耗能能力、剛度和承載力，在單軸拉壓過(guò)程中，除耗能芯板外其余構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，其破壞模式與預(yù)期相符。

3)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明了有限元模擬的有效性；在此基礎(chǔ)上對(duì)耗能器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的耗能器具有更飽滿的耗能、更高的承載力和剛度。