连梁保险丝非线性仿真分析

单文彦，陈　云，2*

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)



连梁保险丝非线性仿真分析

单文彦1，陈云1，2*

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

摘要：连梁保险丝通常设置在联肢剪力墙中，在强震时通过其屈服耗散地震能量，震后方便对受损的连梁保险丝进行修复或更换。本文研发了一种新型的连梁保险丝，即在低屈服点工字型钢的腹板开设菱形空洞，增大保险丝的屈服区域。首先对其进行了材料性能试验，然后基于ABAQUS有限元程序，建立了连梁保险丝的实体有限元模型，对其进行了精细仿真分析。计算结果与试验结果对比表明，计算模型可以较好地模拟保险丝的变形、屈服顺序及其滞回曲线和骨架曲线。因此这种模拟方法对类似保险丝的数值模拟具有较好的借鉴意义。

关键词：连梁；连梁保险丝；仿真分析；试验

引文格式：单文彦，陈云，等.连梁保险丝非线性仿真分析[J].森林工程，2016，32(1)：83-86.

0引言

目前可用于连梁的保险丝种类甚多，很多阻尼器都可作为可更换连梁保险丝。可更换连梁保险丝除了应当具备较强的耗能能力之外，还应具有足够的强度和刚度以及耐久性要求。保险丝的刚度主要是满足连梁在小震作用下应当保持弹性的要求。保险丝的强度是连梁对墙肢提供约束弯矩大小的依据，保险丝的强度越大，连梁对墙肢提供的约束弯矩越大，但保险丝的强度一定要合理，因为保险丝先于墙肢纵筋屈服，才能实现保护墙肢安全的目的。

连梁保险丝还应具备造价低廉、连接方便和设计概念清晰的优点。因为保险丝除了耗能的作用外，其受力状态比较复杂，要承受弯矩、剪力和轴力的作用，起着对墙肢提供约束弯矩的重要作用。金属阻尼器因其价格低廉，强度和刚度的大小设计较易控制，经过合理设计后耗能性能优越，在目前的结构振动控制中得到了广泛的应用。

在已有研究的基础上[1-6]，本文针对提出的腹板开孔的连梁保险丝，建立了其实体有限元模型，重点通过精细仿真分析研究了新型连梁保险丝的变形、等效塑性应变发展过程及其滞回曲线和骨架曲线，并与试验结果进行了对比分析。

1连梁保险丝的开发

如图1和图2所示为新型连梁保险丝的加工尺寸图和照片[5]。保险丝是一段普通工字型钢，腹板开有菱形孔。腹板开菱形孔是为了使腹板能够大部分屈服耗能，增强保险丝的耗能能力，合理的屈服顺序是最弱的截面先屈服，通过材料的强度硬化，达到腹板大部屈服的目的。这类保险丝一般设计为剪切屈服耗能构件。

图1　保险丝的尺寸Fig.1 Fuse size

图2　保险丝的照片Fig.2 Photo of the fuse

2ABAQUS有限元模型

可更换连梁保险丝的所有单元均采用ABAQUS程序的8节点减缩积分实体单元C3D8R来模拟。减缩积分单元比完全积分单元在每一个方向上少用一个积分点，即使存在扭曲变形时，分析精度不会受到大的影响，在弯曲荷载下也不容易发生剪切自锁[7]。建模时，利用高级网格划分技巧，绝大部分实体采用六面体单元，这样可以减少由于单元退化带来的计算误差。

可更换连梁保险丝的材性试验在同济大学质检站进行，材性试验得到的钢板各项材料性能指标见表1。

表1　钢板的各项材料性能

模型建好后的可更换连梁保险丝的有限元模型如图3(a)所示，有限元模型一共划分了4 488个单元，7 108个节点，腹板部分由于应力较大，且考虑到小孔处可能产生应力集中现象，因此该位置的网格划分比较密。材料本构模型采用弹塑性强化模型。

加载的工况与试验一致，考虑到试验中保险丝是安装在四连杆机构上加载，四连杆机构的刚度和强度较大，保险丝主要产生剪切变形。因此，模拟时约束保险丝顶部端板的竖向自由度。

图3　保险丝的有限元模型和变形图Fig.3 Finite element model and deformation of the fuse

3分析结果

3.1保险丝的变形

约束保险丝顶部端板的竖向自由度后，对保险丝进行水平加载，保险丝的变形如图3(b)所示，保险丝的小孔处的变形较大，特别是小孔处的45°方向的变形较大，而且小孔45°方向的屈曲较为严重，这与试验中该处产生撕裂的现象一致。因此，通过保险丝的变形图可以发现保险丝变形或屈曲较大的位置，有助于判断保险丝的可能失效部位。

3.2保险丝的应变发展

等效塑性应变(PEEQ)是描述构件整个变形过程中塑性应变的累积结果，等效塑性应变大于零，表示材料发生了屈服[8-14]。等效塑性应变的定义如下所示：

(1)

(2)

因此，材料在不同位移循环下的等效塑性应变越大，表示结构的累积塑性变形越严重，结构在此开裂的可能性也就越大。图4表示了在不同的剪切位移角下，可更换连梁保险丝的等效塑性应变的发展过程。

通过上述保险丝的等效塑性应变发展过程，总结保险丝的各部分屈服顺序。即保险丝的屈服首先发生在小孔附近，保险丝的剪切位移角达到3.45%时，小孔周边累积塑性变形严重(如图4(f)所示)，而试验现象中，保险丝的剪切角为3.55%时，小孔周边开始产生微裂缝，因此计算分析与试验现象比较吻合(见表2和表3)。如图4(h)所示，分析表明小孔两侧累积塑性变形沿着 45°方向非常严重，这与最终试验中保险丝的破坏情况非常相似，试验中保险丝的裂缝正是沿着与水平线成45°～60°之间，向着翼缘扩展，如图5所示[5]。因此，通过对保险丝的等效塑性应变发展过程分析，可以比较准确地得到构件各部分的屈服顺序，有助于对保险丝的优化设计。

图4　保险丝的等效塑性应变发展过程Fig.4 Equivalent plastic strain development of the fuse

图5　试件的变形图Fig.5 Deformation of the fuse

剪切角/%构件各部分屈服顺序0.23小孔两侧由于应力集中首先产生屈服0.50小孔四周都产生屈服0.99腹板屈服范围沿着小孔周围不断扩大1.29屈服范围扩展到整个腹板2.46翼缘开始产生屈服3.45翼缘屈服范围扩大,小孔周边累积塑性变形严重5.00翼缘屈服范围继续增大6.46翼缘大部分屈服,小孔两侧累积塑性变形沿着45°方向非常严重

表3　保险丝的试验现象

3.3保险丝的滞回性能分析

对保险丝做低周反复加载，加载工况与试验一致，对保险丝的滞回性能进行模拟。如图6所示，试验的滞回曲线只取了下降段之前的部分，因为保险丝的腹板开始撕裂后的性能在计算中很难模拟出来。由图6可知，模拟得到的保险丝滞回曲线与试验结果很相似。不足之处是模拟的曲线更加饱满一些，卸载的刚度更大，但屈服承载力和峰值承载力模拟的效果较好。

图6　保险丝的试验与模拟滞回曲线Fig.6 Hysteretic curves comparison between test and simulation

图7　保险丝的试验与模拟骨架曲线Fig.7 Skeleton curves comparison between test and simulation

如图7所示，计算与试验的骨架曲线基本接近，试验所得的保险丝的初始刚度略大于计算，总体来讲，通过ABAQUS有限元程序模拟保险丝的滞回性能和骨架曲线能够得到比较好的结果。

4结论

本文对提出的保险丝进行了试验和有限元分析，试验研究表明保险丝在腹板开裂前的性能较好，滞回曲线非常饱满，但在腹板开裂后性能下降较多。这表明在保险丝的腹板开菱形孔能够有效增大腹板的屈服区域，增强保险丝的耗能能力，但要适当增大孔洞的夹角并采取有效措施减小开孔处的应力集中。基于ABAQUS有限元程序，建立了保险丝的实体有限元模型，对其进行了精细仿真分析，计算与试验结果对比研究表明，计算模型可以较好地模拟保险丝的变形、屈服顺序及其滞回曲线和骨架曲线，因此，这种模拟方法对类似保险丝的数值模拟具有较好的借鉴意义。

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Nonlinear Simulation Analysis of Coupling Beam Fuse

Shan Wenyan1，Chen Yun1，2*

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；

2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

Abstract：Coupling beam fuses are usually set and used to dissipate seismic energy in the coupled shear wall structures under strong earthquakes.It is convenient to replace or repair the damaged fuse after earthquakes.This paper firstly develops a new kind of coupling beam fuse，i.e.，setting a rhombic hole in the web of H shaped steel，to enlarge the yield region of the fuse.The material property test of the fuse was performed in the laboratory and key material parameters were obtained.Based on the ABAQUS procedure，a solid finite model of fuse was established.The fine simulation of the fuses was conducted through cyclic loading.By comparing the computational and experimental results，it was found that the simulation method can precisely predict the deformation，yield sequence，hysteretic curves，and skeleton curve of the fuse.Thus，the simulation method can be widely used to simulate similar coupling beam fuses.

Keywords：coupling beam；coupling beam fuses；simulation analysis；test

*通信作者：陈云，博士。研究方向：结构工程与防灾研究。 E-mail: chenyunhappy@163.com

作者简介：第一单文彦，本科。研究方向：结构工程与防灾研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408170)；海南省科协青年科技人才学术创新计划资助(201501)；海南大学科研启动项目(kyqd1401)

收稿日期：2015-11-03

中图分类号：TU 375；P 315.952

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)01-0083-04