Y形支撐耗能環(huán)有限元分析

鄔雨生，張 淼，蔣 瀟，胡 皓

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

0 前 言

增設(shè)耗能支撐以提高結(jié)構(gòu)的抗震性，在這種系統(tǒng)當(dāng)中，地震能量可通過(guò)支撐的非線性變形來(lái)耗散，常用的耗能支撐如圖1所示。然而，以往的經(jīng)驗(yàn)表明，耗能支撐在地震當(dāng)中的作用[1]仍然存在疑問(wèn)，其在設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用也受到限制。學(xué)者們已針對(duì)如何提高耗能支撐的延性、耗能能力以及避免其過(guò)早破壞進(jìn)行了大量的研究[2-4]。在這些方法當(dāng)中，添加消能保險(xiǎn)絲的方法是最為有效的方法之一，使鋼環(huán)(耗能環(huán))采用連接板與耗能支撐及梁柱相連接(焊接或者螺栓連接)。在這套系統(tǒng)當(dāng)中，由于連接支撐端部鋼環(huán)的彎曲非線性性能，使得結(jié)構(gòu)在地震當(dāng)中的耗能能力明顯增強(qiáng)。

圖1 耗能支撐類(lèi)型

學(xué)者們已對(duì)鋼環(huán)制成的消能保險(xiǎn)絲進(jìn)行了試驗(yàn)及有限元研究。研究發(fā)現(xiàn)，在耗能支撐末端添加鋼環(huán)，可使結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的滯回曲線，并且在震后替換鋼環(huán)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。已有的試驗(yàn)結(jié)果顯示，這類(lèi)系統(tǒng)當(dāng)中，破壞主要發(fā)生在鋼環(huán)部位，而其他部位大多處于彈性狀態(tài)。本文主要研究?jī)?nèi)容為鋼環(huán)尺寸對(duì)該系統(tǒng)抗震性能的影響，采用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析。

1 模型驗(yàn)證

抗側(cè)力系統(tǒng)的主要功能包括提供足夠的剛度、強(qiáng)度以及耗能等。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在小震時(shí)可將其設(shè)計(jì)成完全彈性，然而在中震時(shí)還保持彈性狀態(tài)是不合適的，因此從現(xiàn)代抗震理念的角度出發(fā)，使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷非線性階段產(chǎn)生耗能是非常必要的[5-6]。Y形支撐是一種可以用于抵抗地震力的支撐形式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已對(duì)此類(lèi)支撐進(jìn)行了試驗(yàn)及有限元研究[7-8]。許多新方法已被應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，其中一種便是主動(dòng)控制方法，在這種方法當(dāng)中，耗能元件被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)當(dāng)中以吸收能量并防止其他構(gòu)件破壞。

目前已有學(xué)者將鋼環(huán)當(dāng)作耗能元件進(jìn)行了研究，Abbasnia等[9]對(duì)斜向支撐當(dāng)中的鋼環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)及有限元研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋼環(huán)可有效地改善耗能支撐的性能。在之前的研究當(dāng)中，鋼環(huán)采用無(wú)縫鋼管，然而尺寸及厚度的限制使其無(wú)法得到廣泛應(yīng)用，鋼管安裝困難同樣對(duì)其使用產(chǎn)生了限制。近期的研究當(dāng)中，鋼管被替換成了兩個(gè)半圓環(huán)，半圓環(huán)采用焊接或螺栓連接的方式與鋼板連接以解決上述問(wèn)題。

1.1 模型基礎(chǔ)

在進(jìn)行分析之前，先進(jìn)行模型驗(yàn)證，本文的原始模型參考文獻(xiàn)[9]中的CT20_TH12_C和ST37-TH12-SW，模型尺寸如圖2～3所示，CT20_TH12_C和ST37-TH12-SW不同的是，前者采用螺栓連接，后者采用焊接。

圖2 CT20_TH12_C尺寸圖

圖3 ST37-TH12-SW尺寸圖

本文采用了Solid45、Contact174以及Target170等單元類(lèi)型及接觸方法用于計(jì)算分析，其中，Contact174用于模擬板和螺栓間的連接(CT20_TH12_C)，ST37-TH12-SW鋼環(huán)及鋼板連接部分采用合并的方法而忽略它們之間的焊接連接，即假定焊接效果足夠好而不考慮焊接發(fā)生破壞這種可能性。鋼環(huán)一端固接，對(duì)試件采用低周往復(fù)加載模擬，系統(tǒng)達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)停止加載。

1.2 模型驗(yàn)證

圖4為CT20_TH12_C模型的網(wǎng)格劃分情況，模擬滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比如圖5，其中CT20_TH12_C_Experimental表示試驗(yàn)滯回曲線，CT20_TH12_C_Analytical為模擬滯回曲線，由圖對(duì)比可知，本文模擬效果良好，可進(jìn)行參數(shù)分析。

圖4 CT20_TH12_C網(wǎng)格劃分

圖5 模擬滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比

2 參數(shù)分析

2.1 連接板長(zhǎng)度

在CT20_TH12_C的基礎(chǔ)上加長(zhǎng)連接板的長(zhǎng)度至220 mm(編號(hào)CT20_TH12_P)，其滯回曲線如圖6。

圖6 CT20_TH12_P滯回曲線

對(duì)比圖5和圖6可知，增加連接板長(zhǎng)度時(shí)承載力增大，且鋼環(huán)中部應(yīng)力增加。

2.2 鋼環(huán)厚度

在ST37-TH12-SW的基礎(chǔ)上增加鋼環(huán)的厚度至20 mm(編號(hào)ST37-TH20-SW)，二者滯回曲線對(duì)比如圖7。

圖7 ST37-TH12-SW與ST37-TH20-SW滯回曲線對(duì)比

由圖7對(duì)比可知，增加鋼環(huán)厚度時(shí)，承載力及耗能明顯增加，但極限位移幾乎無(wú)變化。

3 結(jié) 論

在Y形耗能支撐端部添加鋼環(huán)可增加系統(tǒng)抗震能力。本文為研究這種系統(tǒng)的抗震性能，利用ANSYS進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)論如下。

1)增加連接板長(zhǎng)度時(shí)承載力增大，且鋼環(huán)中部應(yīng)力增加。

2)增加鋼環(huán)厚度時(shí)，承載力及耗能明顯增加，并減小應(yīng)力強(qiáng)度。

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