斜撑阻尼器的框架节点局部受力分析

斜撑阻尼器的框架节点局部受力分析

张世兵

武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070)

E-mail：007007zsb@

摘要：为了解安装斜撑耗能器的框架节点的受力性能，本文首先采用平面杆系模型分别对一十层钢框架结构和一八层钢筋混凝土框架结构在无控和有控时的地震反应进行了分析，得到了节点区域梁端，柱端和斜撑上的内力之后采用非线性有限元程序对框架节点区的应力及变形进行了计算，分析了由于安装耗能器给节点区的应力分布带来的影响，得到有很有意义的结论，为进一步提出加强措施奠定了基础。

关键词：阻尼减振器；节点；抗震；结构控制

1.引言

节点区域是结构受力最为复杂的区域之一，同时也是最重要的受力构件之一。在通过斜撑安装了耗能器的框架中，因耗能器对框架节点施加了较大的控制力，从而使节点区的受力更为复杂，并有可能产生不利的影响。本文首先采用平面杆系模型对一七层钢筋混凝土框架结构在无控和有控时的弹塑性地震反应进行了分析，得到了节点区域梁端、柱端和斜撑上的内力之后采用非线性有限元程序对框架节点区的应力及变形进行了计算, 分析了由于安装耗能器给节点区的应力分布带来的影响, 并从宏观上研究了影响节点区域剪力大小的主要因素。

2.计算模型

虽然从宏观的角度看，耗能器控制力对钢框架和钢筋混凝土框架节点受力影响不大，但可能在耗能器支撑与节点连接处产生较大的应力集中，本节将采用非线性有限元程序对此问题进行分析。

在实际框架结构中，当作用水平荷载时，上柱反弯点可视为水平可移动的铰，相对于上柱反弯点，下柱反弯点可视为固定铰，而节点两侧梁的反弯点可视为水平可移动的铰[1]。本文采用柱端加荷方案来模拟上述边界条件钢框架的梁柱截面均为工字型, 为减少节点的数量，将梁柱的工字型钢板离散成为3节点或 4 节点的板壳元[2], 钢筋混凝土框架模型由钢筋和混凝土两种材料构成，本文对钢筋、纵筋和箍筋、和混凝土两种材料分别建模、译码，然后将两者粘结起来，形成最后的钢筋混凝土框架节点模型。钢筋和混凝土都被离散成为8 节点的实体元，单元划分时，在拉应力较大的部位，采用了人工裂缝。

3.本构关系和屈服准则

本文采用考虑强化段的弹塑性模型来描述钢材的本构关系，强化段的弹性模量为初始弹性模量的 3% 屈服准则采用 Mises 理论。

对钢筋混凝土框架而言，由于箍筋的约束，混凝土实际上处于三向受力状态，而三向受力时混凝土的本构关系过于复杂，单轴受力时混凝土的本构关系又不能反应混凝土的真实受力情况所以本文采用文献[6]箍筋约束状态下的混凝土的本构关系：

上升段曲线方程：

23

=+−+−≤≤

y Ax A x A x x

(32)(2),01

下降段曲线方程：

26(1)10,1y A x x x α−⎡⎤=−+≥⎣⎦ 其中，,0c x εε=；,c c

y f σ=；约束混凝土的极限强度 ,c c f 及其对应的应变 ,0c ε为：

,1 1.09c c c f f νλ⎡=+⎢⎣

,0,01 3.6c c νελε⎡

=+⎢⎣ 式中0ε为峰值应变，0ε =（1320 +10.3）,c u f ×610−，其单位为µε，c f 为棱柱体抗压

强度，其单位为 MPa ； s 和 D 分别是箍筋的间距和矩形截面的短边长度。

()()2.770.0291 3.5c A f νλ=−+

()25411.9 2.36*1010c f νλα−−=

式中 νλ为配箍特征值，/y c f f νννλρ=，νρ为体积配箍率。

4. 实例分析

4.1 工程概况

结构为七层钢筋混凝土框架结构, 柱截面为600 *600mm ，梁截面为400* 400 mm ，混凝土强度等级为C30，设防烈度8度，近震，Ⅱ类场地土，抗震等级二级阻尼比 =0.05结构的前三阶自振周期分别为T1=1.804s ，T2=0.576s ，T3=0.321。Ansys 有限元模型如图1所示。

图1 框架结构有限元模型

4.2 计算分析

计算的应力图分别如图2，图3所示，从图中可以看出：

τ比无耗能器时节点核心区应力（1）钢筋混凝土框架，有耗能器时节点核心区应力

xz

τ要小，但对钢筋混凝土框架而言，有斜撑耗能器时，节点板与梁连接部位的剪应力较大，xz

有应力集中现象[3]。

图2 无斜撑耗能器节点应力图

图3 有斜撑耗能器节点应力图

（2）在钢筋混凝土框架结构中，安装耗能器后，梁顶部下部与节点板连接处原混凝土受压区中出现了拉应力，导致梁顶部混凝土开裂，在节点板与梁连接的端部，拉应力最大，这是因为由斜撑传来的拉力，通过节点板直接作用在梁顶部的混凝土上，导致该部位出现了较大的拉应力，该拉应力不仅抵消了由弯矩引起的梁顶部的压应力，而且致使混凝土开裂。

阻尼器的控制力使节点板和梁连接处出现了应力集中，使连接处混凝土的应力状态发生较大变化，有时甚至出现拉应力，使连接处混凝土开裂，因此该部位应该采取措施予以加强。

5.结论

通过本文的研究，可以得到以下结论：

1. 节点区的剪力由梁端/柱端弯矩的折算剪力，柱端/梁端的剪力和耗能器控制力折算剪力三部分组成，但其中耗能器控制力折算剪力在总剪力中所占比例很小，由此可见耗能器控制力对结构节点区的剪力影响不大，影响节点区剪力大小的主要因素是梁端/柱端弯矩的折算剪力，安装耗能器后，梁端/柱端的弯矩略有减小，耗能器控制力的折算剪力和梁端/柱端弯矩的折算剪力的方向恰好相反，使得节点区的剪力进一步减小，因此耗能器对框架节点区的宏观受力性能没有不利影响。

2. 在钢筋混凝土框架结构中，控制器的控制力使节点板和梁连接处出现了应力集中，使连接处混凝土的应力状态发生较大变化，有时甚至出现拉应力，使连接处混凝土开裂，因此该部位应该采取措施予以。

参考文献

[1] 吴波, 李惠. 建筑结构被动控制的理论与应用. 哈尔滨工业大学出版社,1997. .7

[2] 唐九如. 钢筋混凝土框架节点抗震. 东南大学出版社. 1989.8

[3] 朱伯芳.有限元原理与应用.中国水利水电出版社,1998.4

The Stresses and Deformation of Joints of Frame Structures

with Dampers

Zhang Shibing

School of Civil Engineering and Architecture in Wuhan University of Technology, Wuhan,

Hubei (430070)

Abstract

In this paper , in order to study the stress distribution of a structure with dampers, this paper calculates the earthquakeresponses, moments, shear forces and control forces of a ten-storey steel frame and an eight-storey R.C. framewith friction dampers or without dampers by a 2D program. And then the shear forces of the joints of structuresare analyzed. The stresses of the joints of the two frames with friction dampers or without dampers are calculatedby a nonlinear finite element program, and then the influence of dampers on the stresses are discussed.

keywords: damper, joint, seismic, structural control