不同参数对X形耗能器性能的影响分析

陆伟东 戴 伟

(南京工业大学土木工程学院,南京 211816)

0 引 言

建造一栋木结构建筑,节点部分是至关重要的一环[1]。随着现代社会的发展,木结构节点也出现了各种各样的形式,如榫卯连接、齿板连接、销钉连接、植筋连接、螺栓钢填板连接等[2-3]。通过大量的工程实例发现,木结构破坏大多数是发生在节点处,并且破坏的主要原因是节点的承载力不足、刚度和延性不足等[4]。现在的胶合木梁柱连接通常采用螺栓钢填板[5]。但是这种连接方式在承受比较大的弯矩的时候,需要较多螺栓,如果不增加螺栓那么就需要加大螺栓直径,而木材局部可能因此应力集中破坏,最终可能因节点的提前破坏导致整体结构的垮塌。

本文研究的X形耗能器节点具有较高的节点刚度、抗弯能力、延性性能和耗能能力,既能保证静载下承载力要求,也能实现小震下结构稳定,还能实现大震下结构出现大变形并控制结构损伤,实现高延性、高承载力的理想效果。同时该新型满足快速工业化的需求,可以在工厂预加工,在施工现场直接吊装拼接,为木结构建筑的推广埋下了伏笔。

1 X形耗能器的构造及安装形式

X形耗能器(图1)是采用Q235钢冷加工而成。采用高强摩擦型螺栓与钢填板连接(图2)。连接装置安装在梁柱节点处用来连接以及增加耗能能力(图3)。

图1 耗能器示意图Fig.1 Sketch of damper

图2 耗能器与钢填板连接示意图(主视图、俯视图)Fig.2 Energy dissipator with steel plate connection (front and vertical view)

图3 耗能器安装示意图Fig.3 Sketch of energy dissipator installation

X形耗能器的工作原理:当耗能器连接节点处的梁产生较小竖向位移时,耗能器节点的上下X形通过变形使节点处于弹性工作状态,为结构提供一定的刚度;当耗能器节点处的梁产生较大竖向位移时,耗能器进入弹塑性状态耗散输入结构的能量,减轻结构的地震反应。

2 X形耗能器的设计参数

X形耗能器的构造参数如图4所示。影响X形耗能器性能的因素主要有X形开口r1,中间厚度r2,腰部弧度r3以及钢板厚度t四个变量。

为了研究上述参数对X形耗能器性能的影响,共设置了9个四组对比模型,具体模型尺寸如表1所示。通过控制变量法研究四个变量参数对滞回性能的影响。四组对比组分别为:X形开口r1对比组(DX-1、DX-2、DX-3),中间厚度r2对比组(DX-1、DX-4、DX-5),腰部弧度r3对比组(DX-1、DX-6、DX-7),X形钢板厚度t对比组(DX-1、DX-8、DX-9)。

图4 耗能器尺寸示意图Fig.4 Sketch of energy dissipator size

表1耗能器各模型参数表

Table 1 Energydissipator of model parameters mm

3 有限元模型的建立

X形耗能器采用ABAQUS软件建立简易的计算模型,研究不同参数变化下耗能器在低周反复作用下的力学性能[6],为接下来的理论推导和试验提供必要的参考依据。

3.1 模型的建立

图5为梁柱节点旋转90°后的加载状态图。为了研究的方便,采用 ABAQUS 软件对X形耗能器研究时我们采用简化的形式,即去掉了木梁和木柱用同样长度和宽度的钢填板代替,以便更好地单纯研究X形耗能器的滞回性能,因为实际试验中X形阻尼器与钢填板连结起来处在木梁柱销槽内,不会出现面外失稳问题,所以在模拟中设置梁部的钢填板为刚体避免了替换后的面外失稳出现。

建立有限元模型时,根据节点受力特点,把钢填板完全固定,四个高强螺栓施加预紧力。设置梁的上半部分为刚体,避免失稳的同时也能提高计算机计算速度。模型的加载点模拟真实加载位置在距离梁端150 mm正中间处。耗能器均采用实体建模,为了网格划分的合理性节点部位单元类型选用六面体非协调模式单元(C3D8I),算法为中性轴算法。划分好单元的有限元模型如图6所示,X形钢板网格划分放大图如图7所示。

图5 模型受力状态Fig.5 Force state of the model

3.2 边界条件

模型下部钢填板完全固定,加载点RP-1在分析步第一步即螺栓加预紧力的时候固定,分析步第二步取消激活。最后在加载点施加X轴方向上的往复位移荷载。

3.3 材料定义

X形耗能器中的钢板采用Q235B级钢,为弹塑性材料,钢材采用能充分发挥弹性及弹塑性的三线性理想应力-应变曲线,如图8所示。螺栓材料采用M30的10.9级摩擦型高强螺栓,螺栓本构如图8所示。弹性模量为Es=2.06×105MPa,泊松比υ= 0.3[7]。

图6 模型的单元划分Fig.6 Model unit division

图7 X形耗能器单元划分Fig.7 X dissipator of unit division

图8 X形钢板和螺栓材料的本构Fig.8 The constitutive relationship of X steel plate and bolt

表2材料性能指标

Table 2 Material performance indicators

3.4 加载制度

本文模型加载采用在梁端加载点施加强制位移,初始位移为屈服位移的20%。每次每级位移增量为20%,当模型屈服时,每级荷载循环1次;屈服后,依次增加2倍、3倍、4倍、5倍屈服位移,每级荷载循环两次,加载制服如图9所示[8]。

图9 位移控制加载制度Fig.9 The loading system of displacement control

4 X形耗能器不同参数对耗能结果的影响

4.1 开口r1的影响

为了研究r1大小对耗能效果的影响,分别选取r1=30 mm,20 mm,40 mm三种尺寸分别建立模型进行分析,得出的滞回曲线和骨架曲线如图10所示,可以看出,随着r1不同尺寸的变化,滞回性能稍有提升,但是并不明显,初始刚度相同。由表3可以看出,三者耗能能力相差不大,随着r1的增大,耗能能力稍有提升,可以看出,开口r1大小对耗能器的耗能效果影响不大。当r1太大,会使耗能器发生平面外屈曲而失效;若r1太小,会使得变形时上下两块钢填板发生碰撞挤压。

表3不同开口大小耗能指标

Table 3 Different opening size index of energy consumption

4.2 中间厚度r2的影响

由于耗能部位主要在X形钢板中间部位,故猜测跟r2有密切关系。分别取r2=40 mm,30 mm,50 mm三种尺寸进行对比有限元模拟。其滞回曲线、骨架曲线如图11所示。由图11以及表4可以看出:耗能能力随着r2的增大显著增大。但是为了防止应力集中在中心区域,r2的取值不能无限制大。r2=30 mm增大到r2=40 mm时增长了33.33%,滞回环面积增大了66.67%,r2=40 mm增大到r2=50 mm时增长了25%,滞回环面积增大了16%,由此可以看出,r2增长得越大,耗能增长逐渐降低。

图10 不同r1的滞回曲线Fig.10 Hysteresis curve of different r1

图11 不同r2的滞回曲线Fig.11 Hysteresis curve of different r2

表4不同中间厚度耗能指标

Table 4 Different thickness of the middle of the indicators of energy consumption

4.3 腰部弧度r3的影响

其他变量保持一致,选取r3=50 mm,30 mm,70 mm三种尺寸进行建模分析。得出滞回曲线、骨架曲线如图12所示。由图可以看出r3的不同取值对耗能效果影响很小,r3=30增大到r3=50 mm时增长了66.67%,滞回环面积增大了3.7%,r3=50 mm增大到r3=70 mm时增长了40%,滞回环面积减小了7.5%。故r3=50 mm附近较为合理。

图12 不同r3的滞回曲线Fig.12 Hysteresis curve of different r3

表5不同腰部弧度耗能指标

Table 5 Different waist radian indicators of energy consumption

4.4 X形厚度t的影响

X形厚度t无疑是一个重要的耗能变量参数,故取t=10 mm,8 mm,12 mm三种尺寸进行有限元模拟,保持其他参数相同,得出滞回曲线、骨架曲线如图13所示。由图可知耗能能力随着钢板厚度的增加而增加。t=8 mm增加到t=10 mm增长了25%,滞回环面积增加了31%,t=10 mm增加到t=12 mm增长了20%,滞回环面积增加了16%,试验时可以增加合适的厚度满足耗能的要求。

表6不同厚度耗能指标

Table 6 Energy consumption index of different thickness

图13 不同r4的滞回曲线Fig.13 Hysteresis curve of different r4

5 结 论

(1) X形耗能器尺寸r2和厚度t都对耗能器动力性能有直接影响。在工程应用中可以通过合理改变上述参数来提高耗能器耗能能力。

(2) 耗能器具有良好的变形以及耗能能力,得出的滞回曲线比较饱满,应力分布比较均匀。

(3) 耗能器的r1，r3尺寸大小对耗能能力影响不大,具体尺寸可以根据构件协调性合理取值。

(4) 经过ABAQUS模拟分析得到如下组合:r1=30 mm,r2=50 mm,r3=50 mm,r4=40 mm,b=40 mm,t=12 mm,尺寸的确定为接下来最优尺寸确定的后续试验开展打下了基础。

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