反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
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由于本文中所 使用的钢材双 屈服面本 构模 型 [ 10] 不能描述疲劳破坏现象, 因此, 数值分析中, 反复加载上限设为 01034, 对于普通软钢即相当 于 20Cy ( Cy 为屈服剪应变 ), 通常认为在此范围内 钢材不会发生低周疲劳破坏 [ 11] . 结合上述试验研 究结果, 可以认为 01034的上限是偏于保守的, 在 工程实际中足以提供安全保障.
图 2 有限元模型 F ig1 2 F in ite elem ent m od el
第 2期
陈之毅, 等: 反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
221
表 1 剪切板阻尼器的设计参数和计算结果 Tab1 1 Design param eters and calculation resu lts of shear pane l dampers
Abstract: In o rder to ensure the stable hysteretic energy capacity o f shear pane l dam per and avo id the buck ling o f w eb p late, the ca lculat ing fo rm ulas for the u ltim ate shear streng th o f shear panel dam per w ith acco un ting for the bend resisting con tribution o f the f langesw ere propo sed, w hich can prov ide the references fo r design and use o f shear panel dam pers. T he shear pane l dam pers can be used a s the energy d issipat ion dev ices in building and bridge struc tures to m it iga te the se ism ic hazard e ffectiv ely. Ba sed on the un iversa l f inite e lem ent prog ram ABAQU S, a series o f ref inem ent f in ite e lem en t ca lcu la tion and analy sis w ere conducted on the shear pane l dam persw ith one-sided st iffeners under cy clic load. In the ca lculation m ode,l the initial defo rm ation and residua l stress w ere taken in to accoun,t and a m od if ied double-y ie ld surface m ode l w as adop ted to describe the const itutive relationsh ip o f stee l m ater ia l under cyclic load ing. T he research resu lts show that the shear bo rne by the f langesm ay be 13% to 28% o f to ta l shear capacity, w hich canno t be neg lected in de sign.
虑翼缘抗弯承载力贡献的剪切板阻尼 器抗剪极限强度计算公式, 为剪切板 阻尼器的设 计与应用提
供了参考. 剪切板阻尼器作为消能减震 装置应 用于建 筑和桥梁 等工程 结构, 可有 效减轻 地震破坏
作用. 基于通用有限元程序 ABAQU S, 对反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对双向加劲肋的剪切板
阻尼器进行了一系列的精细化有限元 计算与分析. 计算模型考虑 了初始变 形和残余应 力两种初始
设计参数 ( a= bw = 1 m )
数值分析结果 理论计算结果
nL = nT
Rw
bw /tw
tw /mm
tf /mm
b f /mm
ts /mm
Sn, ma x /Sy
Su /Sy
nL = nT = 1 01 5
113
81 8 4
351 4
3001 0
111 4
11 297
11 277
01 4
91
才计划资助项目. 作者简介: 陈之毅 ( 1977 - ) , 女, 江苏吴江人, 讲师, 博士, 主要从事土木工程抗震动力分析和减震耗能技术等方面的研究.
22 0
来自百度文库
沈 阳工 业 大 学 学 报
第 33卷
板阻尼器作为金属阻尼器的一种, 已有效用于若干 建筑中, 其形式主要如图 1所示. 在桥梁结构方面, 美国新旧金山 ) ) ) 奥克兰海湾大桥的主塔桅上已 成功安装了一种被称作剪切连接件 ( shear link )的 减震耗能构件 [ 2] , 相当于 3个并排安装的剪切板阻 尼器. 在强风或强震中, 这些金属阻尼器发生剪切 变形, 从而耗散地震输入能量, 衰减结构振动. 为了 在实际结构设计中有效地考虑这些装置, 设计者必 须能够准确描述这些阻尼器在任意周期荷载作用 下预期的非线性力 位移曲线, 预测其极限强度, 从 而对其进行合理设计和优化布置. 当前, 剪切板阻 尼器的设计仍主要参照工字形钢梁的抗剪承载力 公式进行计算 [ 3- 5] , 后者的计算方法不同之处主要 在于拉力场的分布形 式以及是否考 虑翼缘的贡 献 [ 6] . 然而, 为了保证稳定、饱满的滞回性能, 实际 的剪切板阻尼器腹板厚度通常较普通工字形钢梁 的大, 这使得剪切板阻尼器腹板在屈曲前已经充分 进入塑性, 不存在拉力场对后屈曲强度的贡献. 其 次, 作为耗能器, 剪切板通常经历较大的非线性变 形, 为保证对腹板的有效约束, 翼缘也比普通工字 形钢梁的厚, 这使得翼缘在充当腹板约束边界的同 时, 增加了阻尼器的总抗剪强度. 鉴于此, 有必要对 低周反复荷载作用下的剪切板阻尼器滞回性能和 极限抗剪强度进行深入研究, 重新评价翼缘对于总 抗剪强度的影响与贡献.
1 剪切变形能力与要求
作为金属屈服耗能构件, 剪切板阻尼器通过 塑性屈服滞回变形而耗散能量, 因此, 它的耗能减 震能力主要取决于其塑性 变形能力和耐 疲劳性 能, 必须具有足够的延性承受地震过程中可能遭 受的最大剪切变形. 对于钢筋混凝土框架结构和 多高层钢结构, 现行抗震规范 [ 7] 规定其弹性层间 位移容许值分别为 h / 550和 h / 300, h 为层高. 按 照标准层高 3m, 对于剪切板 支撑组合型结构, 根 据几何条件换算得知, 剪切板阻尼器要求至少具
2 有限元分析
211 有限元模型的建立及其验证 本文基于通用有限元程 序 ABAQUS 对低周
反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对横向和纵向 加劲肋的剪切板阻尼器进行了一系列非线性有限 元计算与分析, 研究其滞回性能并预测抗剪极限 强度. 图 2为设有两对双向加劲肋的剪切板阻尼 器有限元模型. 设计参数、数值和理论计算结果见 表 1. 其中, Rw 为腹板柔细比参数, 是设计剪切板 的关键参数 [ 12] , 按式 ( 1) 计算, 即
通过金属材料的弹塑性变形来耗散地震输入 给结构的能量, 从而减轻结构在地震中所遭受的损
害, 这种新的减震耗能概念目前已经在结构设计中 得到广泛的承认和应用. 在建筑结构方面 [ 1] , 剪切
收稿日期: 2010- 01 - 07. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50908169) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( 200802471095) ; 上海市浦江人
图 1 剪切板阻尼器在建筑结构中的应用 F ig1 1 App lication of shear pan el damp er in build in gs
有 0102~ 0104剪切变形角能力. T akahash i和 Sh inabe[ 8] 的试 验研究 表明, 当
腹板柔细比参数 Rw [ 0155时, 低屈服钢剪切板阻 尼器 ( LYP100和 LYP 235) 在反 复荷载下的 剪切 变形角可达 0105, 在单调加载情况下则可增大到 011. Chen和 K uo[ 9] 所做试验也证实, 即使剪切变 形角大于 0106, 剪切板也没有发生强度折减. M cDanie l等进行了海湾大桥主塔桅减振用剪切连接 件的低周反复试验, 预计在地震荷载下, TYPE 1 和 TYPE 3的剪切连接件变形要求分别为 0101~ 0102和 0103~ 0104. 实际上, 试验结果显示这两 类形式的剪切连接件变形能力分别达到 0106和 01066, 几乎是要求能力的 2 ~ 3倍. 最后, 试件由 于腹板脆性开裂而破坏.
第 33卷 第 2期 2 0 1 1年 4月
沈 阳工 业大学 学报 Journal of Shenyang Un iversity of T echnology
V o l133 No12 Apr1 2 0 1 1
文章编号: 1000- 1646( 2011) 02 - 0219- 07
反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
缺陷, 采用修正双屈服面模型描述反复荷载下的钢材料本构关 系. 研 究结果表明 , 翼缘 所承担的剪
力约占总抗剪承载力的 13% ~ 28% , 设计时不能忽略.
关 键 词: 剪切板阻尼器; 抗剪强 度; 反复荷载; A BAQU S软件; 消能减震装置; 滞回 性能; 数
值模拟; 抗震设计
中图分类号: TU 352. 1
111 4
441 2
3001 0
131 5
11 381
11 397
01 3
68
141 7
441 2
5331 3
161 7
11 511
11 499
nL = nT = 2 01 5
169
51 9
231 6
3001 0
71 3
11 266
11 231
陈之毅 1a, 葛汉彬2, 宇佐美勉 2, 袁 勇 1b
( 1. 同济大学 a. 地下建筑与工程系, b. 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 2. 名城大学 建设 ¦ À 工学科, 日本 名 古屋 468-8502 )
摘 要: 为了使剪切板阻尼器具有稳定的滞回耗能特性, 避免其腹板发生局部屈曲, 提出了 一种考
文献标志码: A
U ltim ate shear strength of shear panel damper under cyclic load
CHEN Z h-i y i1a, G E H an-b in2, U SAM I T sutom u2, YU AN Y ong1b
( 1a. D epa rtm ent o f G eo technical Eng ineering, 1b. K ey L abo ra tory o f G eo techn ica l and U nderground Eng ineer ing o fM in istry o f Educatio n, T ong jiU n iv ersity, Shangha i 200092, C hina; 2. D epar tm ent o f C iv il Eng ineering, M e ijo U n iv ersity, N ag oya 468-8502, Japan)
K ey w ords: shear pane l dam per; u ltim ate shear strength; cy clic load; ABAQU S so ftw are; energy-dissipa tion dev ice; hy steretic perfo rm ance; num erica l sim ulation; earthquake resistant design
图 2 有限元模型 F ig1 2 F in ite elem ent m od el
第 2期
陈之毅, 等: 反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
221
表 1 剪切板阻尼器的设计参数和计算结果 Tab1 1 Design param eters and calculation resu lts of shear pane l dampers
Abstract: In o rder to ensure the stable hysteretic energy capacity o f shear pane l dam per and avo id the buck ling o f w eb p late, the ca lculat ing fo rm ulas for the u ltim ate shear streng th o f shear panel dam per w ith acco un ting for the bend resisting con tribution o f the f langesw ere propo sed, w hich can prov ide the references fo r design and use o f shear panel dam pers. T he shear pane l dam pers can be used a s the energy d issipat ion dev ices in building and bridge struc tures to m it iga te the se ism ic hazard e ffectiv ely. Ba sed on the un iversa l f inite e lem ent prog ram ABAQU S, a series o f ref inem ent f in ite e lem en t ca lcu la tion and analy sis w ere conducted on the shear pane l dam persw ith one-sided st iffeners under cy clic load. In the ca lculation m ode,l the initial defo rm ation and residua l stress w ere taken in to accoun,t and a m od if ied double-y ie ld surface m ode l w as adop ted to describe the const itutive relationsh ip o f stee l m ater ia l under cyclic load ing. T he research resu lts show that the shear bo rne by the f langesm ay be 13% to 28% o f to ta l shear capacity, w hich canno t be neg lected in de sign.
虑翼缘抗弯承载力贡献的剪切板阻尼 器抗剪极限强度计算公式, 为剪切板 阻尼器的设 计与应用提
供了参考. 剪切板阻尼器作为消能减震 装置应 用于建 筑和桥梁 等工程 结构, 可有 效减轻 地震破坏
作用. 基于通用有限元程序 ABAQU S, 对反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对双向加劲肋的剪切板
阻尼器进行了一系列的精细化有限元 计算与分析. 计算模型考虑 了初始变 形和残余应 力两种初始
设计参数 ( a= bw = 1 m )
数值分析结果 理论计算结果
nL = nT
Rw
bw /tw
tw /mm
tf /mm
b f /mm
ts /mm
Sn, ma x /Sy
Su /Sy
nL = nT = 1 01 5
113
81 8 4
351 4
3001 0
111 4
11 297
11 277
01 4
91
才计划资助项目. 作者简介: 陈之毅 ( 1977 - ) , 女, 江苏吴江人, 讲师, 博士, 主要从事土木工程抗震动力分析和减震耗能技术等方面的研究.
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来自百度文库
沈 阳工 业 大 学 学 报
第 33卷
板阻尼器作为金属阻尼器的一种, 已有效用于若干 建筑中, 其形式主要如图 1所示. 在桥梁结构方面, 美国新旧金山 ) ) ) 奥克兰海湾大桥的主塔桅上已 成功安装了一种被称作剪切连接件 ( shear link )的 减震耗能构件 [ 2] , 相当于 3个并排安装的剪切板阻 尼器. 在强风或强震中, 这些金属阻尼器发生剪切 变形, 从而耗散地震输入能量, 衰减结构振动. 为了 在实际结构设计中有效地考虑这些装置, 设计者必 须能够准确描述这些阻尼器在任意周期荷载作用 下预期的非线性力 位移曲线, 预测其极限强度, 从 而对其进行合理设计和优化布置. 当前, 剪切板阻 尼器的设计仍主要参照工字形钢梁的抗剪承载力 公式进行计算 [ 3- 5] , 后者的计算方法不同之处主要 在于拉力场的分布形 式以及是否考 虑翼缘的贡 献 [ 6] . 然而, 为了保证稳定、饱满的滞回性能, 实际 的剪切板阻尼器腹板厚度通常较普通工字形钢梁 的大, 这使得剪切板阻尼器腹板在屈曲前已经充分 进入塑性, 不存在拉力场对后屈曲强度的贡献. 其 次, 作为耗能器, 剪切板通常经历较大的非线性变 形, 为保证对腹板的有效约束, 翼缘也比普通工字 形钢梁的厚, 这使得翼缘在充当腹板约束边界的同 时, 增加了阻尼器的总抗剪强度. 鉴于此, 有必要对 低周反复荷载作用下的剪切板阻尼器滞回性能和 极限抗剪强度进行深入研究, 重新评价翼缘对于总 抗剪强度的影响与贡献.
1 剪切变形能力与要求
作为金属屈服耗能构件, 剪切板阻尼器通过 塑性屈服滞回变形而耗散能量, 因此, 它的耗能减 震能力主要取决于其塑性 变形能力和耐 疲劳性 能, 必须具有足够的延性承受地震过程中可能遭 受的最大剪切变形. 对于钢筋混凝土框架结构和 多高层钢结构, 现行抗震规范 [ 7] 规定其弹性层间 位移容许值分别为 h / 550和 h / 300, h 为层高. 按 照标准层高 3m, 对于剪切板 支撑组合型结构, 根 据几何条件换算得知, 剪切板阻尼器要求至少具
2 有限元分析
211 有限元模型的建立及其验证 本文基于通用有限元程 序 ABAQUS 对低周
反复荷载作用下单侧布置 1、2或 3对横向和纵向 加劲肋的剪切板阻尼器进行了一系列非线性有限 元计算与分析, 研究其滞回性能并预测抗剪极限 强度. 图 2为设有两对双向加劲肋的剪切板阻尼 器有限元模型. 设计参数、数值和理论计算结果见 表 1. 其中, Rw 为腹板柔细比参数, 是设计剪切板 的关键参数 [ 12] , 按式 ( 1) 计算, 即
通过金属材料的弹塑性变形来耗散地震输入 给结构的能量, 从而减轻结构在地震中所遭受的损
害, 这种新的减震耗能概念目前已经在结构设计中 得到广泛的承认和应用. 在建筑结构方面 [ 1] , 剪切
收稿日期: 2010- 01 - 07. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50908169) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( 200802471095) ; 上海市浦江人
图 1 剪切板阻尼器在建筑结构中的应用 F ig1 1 App lication of shear pan el damp er in build in gs
有 0102~ 0104剪切变形角能力. T akahash i和 Sh inabe[ 8] 的试 验研究 表明, 当
腹板柔细比参数 Rw [ 0155时, 低屈服钢剪切板阻 尼器 ( LYP100和 LYP 235) 在反 复荷载下的 剪切 变形角可达 0105, 在单调加载情况下则可增大到 011. Chen和 K uo[ 9] 所做试验也证实, 即使剪切变 形角大于 0106, 剪切板也没有发生强度折减. M cDanie l等进行了海湾大桥主塔桅减振用剪切连接 件的低周反复试验, 预计在地震荷载下, TYPE 1 和 TYPE 3的剪切连接件变形要求分别为 0101~ 0102和 0103~ 0104. 实际上, 试验结果显示这两 类形式的剪切连接件变形能力分别达到 0106和 01066, 几乎是要求能力的 2 ~ 3倍. 最后, 试件由 于腹板脆性开裂而破坏.
第 33卷 第 2期 2 0 1 1年 4月
沈 阳工 业大学 学报 Journal of Shenyang Un iversity of T echnology
V o l133 No12 Apr1 2 0 1 1
文章编号: 1000- 1646( 2011) 02 - 0219- 07
反复荷载作用下剪切板阻尼器的抗剪极限强度
缺陷, 采用修正双屈服面模型描述反复荷载下的钢材料本构关 系. 研 究结果表明 , 翼缘 所承担的剪
力约占总抗剪承载力的 13% ~ 28% , 设计时不能忽略.
关 键 词: 剪切板阻尼器; 抗剪强 度; 反复荷载; A BAQU S软件; 消能减震装置; 滞回 性能; 数
值模拟; 抗震设计
中图分类号: TU 352. 1
111 4
441 2
3001 0
131 5
11 381
11 397
01 3
68
141 7
441 2
5331 3
161 7
11 511
11 499
nL = nT = 2 01 5
169
51 9
231 6
3001 0
71 3
11 266
11 231
陈之毅 1a, 葛汉彬2, 宇佐美勉 2, 袁 勇 1b
( 1. 同济大学 a. 地下建筑与工程系, b. 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 2. 名城大学 建设 ¦ À 工学科, 日本 名 古屋 468-8502 )
摘 要: 为了使剪切板阻尼器具有稳定的滞回耗能特性, 避免其腹板发生局部屈曲, 提出了 一种考
文献标志码: A
U ltim ate shear strength of shear panel damper under cyclic load
CHEN Z h-i y i1a, G E H an-b in2, U SAM I T sutom u2, YU AN Y ong1b
( 1a. D epa rtm ent o f G eo technical Eng ineering, 1b. K ey L abo ra tory o f G eo techn ica l and U nderground Eng ineer ing o fM in istry o f Educatio n, T ong jiU n iv ersity, Shangha i 200092, C hina; 2. D epar tm ent o f C iv il Eng ineering, M e ijo U n iv ersity, N ag oya 468-8502, Japan)
K ey w ords: shear pane l dam per; u ltim ate shear strength; cy clic load; ABAQU S so ftw are; energy-dissipa tion dev ice; hy steretic perfo rm ance; num erica l sim ulation; earthquake resistant design