设置钢阻尼器钢结构的有限元分析

李江刚

设置钢阻尼器钢结构的有限元分析

李江刚

借助ABAQUS有限元软件,对设置钢阻尼器的钢结构进行了地震动荷载作用下的有限元分析,得出钢阻尼器能为结构提供附加抗侧刚度和附加阻尼,耗散输入的地震能量,保护主体结构,减震效果显著的结论。

钢阻尼器,地震动荷载,有限元分析

耗能减震结构在小震和设计风荷载作用下,阻尼装置基本处于弹性状态,给结构提供足够的刚度,使耗能减震结构满足正常使用的要求;在中震、大震及强震作用下,阻尼装置率先进入耗能状态,产生较大的阻尼,大量耗散输入结构中的能量,迅速衰减结构的动力反应,而主体结构不出现明显的非弹性,从而确保结构在强震或强风中的安全性和正常使用[1]。钢阻尼器是阻尼装置其中的一种,其耗能原理是：在地震作用下,钢阻尼器在建筑结构发生塑性变形前首先发生屈服,以消耗大部分地面运动传给建筑结构的能量。以单圆孔型钢阻尼器为例,借助ABAQUS有限元软件,分析设置该阻尼器结构在地震动荷载作用下的反应。

1 设置单圆孔型钢阻尼器钢框架结构的耗能指标

与设置单圆孔型钢阻尼器结构的耗能能力有关的参数有[3]：阻尼装置与主体框架部分的抗侧弹性刚度之比SR,阻尼装置中支撑与阻尼器之间的弹性刚度之比阻尼器的屈服位移与层高之比γ。这些参数都是独立的基本参数,研究这些参数对结构减震效果的影响,具有普适性,以下借助 ABAQUS有限元软件,考虑钢框架梁柱节点连接的半刚性,分析设置单圆孔型钢阻尼器的钢框架在地震动荷载作用下的反应。

2 有限元模型

2.1 设置钢阻尼器钢结构的总信息

以下是设置钢阻尼器钢框架结构的总信息,该建筑结构安全等级为二级,建筑抗震设防类别为丙类,建筑物地处地震设防烈度为 7度,设计地震分组第一组,Ⅲ类场地,该结构为 12层的钢框架,如图 1所示,层高 3.6m,总高为 43.2m,三跨,跨度为 6m,阻尼装置安装在中间跨且每层都布置,其中各耗能指标参数

2.2 地震波的选取

根据建筑物所处的场地特性,选取如表 1所示的地震记录,并按《建筑结构抗震规范》相应规定进行多遇和罕遇地震峰值加速度调幅。

表1 地震记录

2.3 节点半刚性连接的模拟、单元类型的选取、接触处理及地震动荷载模拟

为了精确地模拟梁柱节点的半刚性,采用ABAQUS提供的连接单元 Hinge来实现,H inge连接单元可以使两个节点结合并且可以给两个节点的旋转自由度提供旋转约束。梁、柱、支撑都采用 B32梁单元,在有限元模型的＊.inp文件里利用＊release命令将对应的自由度释放,从而来模拟实际中支撑与梁柱节点处的铰接。单圆孔型钢阻尼器采用壳单元(S8R和 STRI65),在ABAQUS里采用 Tie约束来模拟单圆孔型钢阻尼器与梁和相关支撑的接触关系。在钢框架模型首层柱脚的相关平动自由度方向施加加速度,其幅值曲线与所选地震动荷载幅值曲线一致。

上述两钢框架的最大层间位移都是出现在第 9层,图 2是在EL-Centro地震波作用下(多遇)的第 9层层间位移时程曲线。从图 2可以看出,在多遇地震作用下,设置了钢阻尼器的框架结构较没有设置钢阻尼器的框架结构具有明显的减震效果。

3 计算结果分析

3.1 多遇地震作用下

设置阻尼装置的钢框架和没有设置阻尼装置的钢框架在 ELCentro地震波作用下(峰值加速度调幅到 70 cm/s2),各自最大的层间位移和最大基底剪力见表 2。

表2 最大层间位移和最大基底剪力对比表

3.2 罕遇地震作用下

设置阻尼装置的钢框架和没有设置阻尼装置的钢框架在 ELCentro地震波作用下(峰值加速度调幅到400 cm/s2),各自最大的层间位移和最大基底剪力见表 3。

表3 最大层间位移反应和最大基底剪力对比表

上述两钢框架的最大层间位移都是出现在第 9层,图 3是两框架结构在 EL-Centro地震波作用下(罕遇)的第 9层层间位移时程曲线。

在 EL-Centro地震波作用下(罕遇),各楼层的钢阻尼器上下两端的相对位移峰值均远大于单圆孔型钢阻尼器的屈服位移Uy=1.9mm,两端相对位移较大的钢阻尼器所在的楼层都是上下层抗侧刚度变化较大的楼层。

4 结语

借助 ABAQUS有限元软件,对设置单圆孔型钢阻尼器的半刚性连接钢框架结构进行地震动荷载作用有限元分析,得出以下结论：设置单圆孔型钢阻尼器的钢框架具有较高的抗侧弹性刚度,在多遇地震作用下,单圆孔型钢阻尼器不出现应力屈服现象,为结构增加抗侧刚度,减少结构的层间侧移反应,满足正常使用要求;在罕遇地震作用下,单圆孔型钢阻尼器产生应力屈服,实现塑性耗能,为结构提供附加阻尼,同时改变结构的刚度特性,减少结构的震动响应,满足耗能要求。

[1]周 云.金属耗能减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社,2006.

[2]欧进萍,吴 斌,龙 旭.结构被动耗能减震效果的参数影响[J].地震工程与工程振动,1998,18(1)：60-70.

[3]李玉顺.钢框架结构软钢阻尼器振动控制的试验与理论研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文,2004：72-89.

Finite element analysis on the steel structure of setting steel dampers

LI Jiang-gang

Adopting ABAQUS finite element software,it carries on finite element analysis of steel structure of setting steel dampers under the seism ic dynamic load,and obtains that the damper can provideadd-on the lateral force resisting rigidity and additional damping,dissipate seism ic energy input,protectmain structure,and has obvious seism ic resistance effect.

steel damper,dynam ic seismic load,finite element analysis

TU391

A

1009-6825(2011)09-0055-02

2010-12-11

李江刚(1983-),男,助理工程师,广东省建工设计院,广东广州 510600