Y形支撑耗能环有限元分析

邬雨生，张 淼，蒋 潇，胡 皓

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

0 前 言

增设耗能支撑以提高结构的抗震性，在这种系统当中，地震能量可通过支撑的非线性变形来耗散，常用的耗能支撑如图1所示。然而，以往的经验表明，耗能支撑在地震当中的作用[1]仍然存在疑问，其在设计当中的应用也受到限制。学者们已针对如何提高耗能支撑的延性、耗能能力以及避免其过早破坏进行了大量的研究[2-4]。在这些方法当中，添加消能保险丝的方法是最为有效的方法之一，使钢环(耗能环)采用连接板与耗能支撑及梁柱相连接(焊接或者螺栓连接)。在这套系统当中，由于连接支撑端部钢环的弯曲非线性性能，使得结构在地震当中的耗能能力明显增强。

图1 耗能支撑类型

学者们已对钢环制成的消能保险丝进行了试验及有限元研究。研究发现，在耗能支撑末端添加钢环，可使结构形成稳定的滞回曲线，并且在震后替换钢环简单经济。已有的试验结果显示，这类系统当中，破坏主要发生在钢环部位，而其他部位大多处于弹性状态。本文主要研究内容为钢环尺寸对该系统抗震性能的影响，采用有限元软件ANSYS对其进行分析。

1 模型验证

抗侧力系统的主要功能包括提供足够的刚度、强度以及耗能等。从经济角度出发，在小震时可将其设计成完全弹性，然而在中震时还保持弹性状态是不合适的，因此从现代抗震理念的角度出发，使结构经历非线性阶段产生耗能是非常必要的[5-6]。Y形支撑是一种可以用于抵抗地震力的支撑形式，国内外学者们已对此类支撑进行了试验及有限元研究[7-8]。许多新方法已被应用于抗震设计当中，其中一种便是主动控制方法，在这种方法当中，耗能元件被应用于结构当中以吸收能量并防止其他构件破坏。

目前已有学者将钢环当作耗能元件进行了研究，Abbasnia等[9]对斜向支撑当中的钢环进行了试验及有限元研究，研究发现，钢环可有效地改善耗能支撑的性能。在之前的研究当中，钢环采用无缝钢管，然而尺寸及厚度的限制使其无法得到广泛应用，钢管安装困难同样对其使用产生了限制。近期的研究当中，钢管被替换成了两个半圆环，半圆环采用焊接或螺栓连接的方式与钢板连接以解决上述问题。

1.1 模型基础

在进行分析之前，先进行模型验证，本文的原始模型参考文献[9]中的CT20_TH12_C和ST37-TH12-SW，模型尺寸如图2～3所示，CT20_TH12_C和ST37-TH12-SW不同的是，前者采用螺栓连接，后者采用焊接。

图2 CT20_TH12_C尺寸图

图3 ST37-TH12-SW尺寸图

本文采用了Solid45、Contact174以及Target170等单元类型及接触方法用于计算分析，其中，Contact174用于模拟板和螺栓间的连接(CT20_TH12_C)，ST37-TH12-SW钢环及钢板连接部分采用合并的方法而忽略它们之间的焊接连接，即假定焊接效果足够好而不考虑焊接发生破坏这种可能性。钢环一端固接，对试件采用低周往复加载模拟，系统达到极限应变时停止加载。

1.2 模型验证

图4为CT20_TH12_C模型的网格划分情况，模拟滞回曲线与试验滞回曲线对比如图5，其中CT20_TH12_C_Experimental表示试验滞回曲线，CT20_TH12_C_Analytical为模拟滞回曲线，由图对比可知，本文模拟效果良好，可进行参数分析。

图4 CT20_TH12_C网格划分

图5 模拟滞回曲线与试验滞回曲线对比

2 参数分析

2.1 连接板长度

在CT20_TH12_C的基础上加长连接板的长度至220 mm(编号CT20_TH12_P)，其滞回曲线如图6。

图6 CT20_TH12_P滞回曲线

对比图5和图6可知，增加连接板长度时承载力增大，且钢环中部应力增加。

2.2 钢环厚度

在ST37-TH12-SW的基础上增加钢环的厚度至20 mm(编号ST37-TH20-SW)，二者滞回曲线对比如图7。

图7 ST37-TH12-SW与ST37-TH20-SW滞回曲线对比

由图7对比可知，增加钢环厚度时，承载力及耗能明显增加，但极限位移几乎无变化。

3 结 论

在Y形耗能支撑端部添加钢环可增加系统抗震能力。本文为研究这种系统的抗震性能，利用ANSYS进行了模拟，并进行了参数分析，结论如下。

1)增加连接板长度时承载力增大，且钢环中部应力增加。

2)增加钢环厚度时，承载力及耗能明显增加，并减小应力强度。

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