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赵欣,戚艾, "开缝梁柱耗能节点:适用性与抗震性能",土木工程进展, 卷。2021, 文章的ID5530083, 16 页面, 2021. https://doi.org/10.1155/2021/5530083
开缝梁柱耗能节点:适用性与抗震性能
抽象的
消能节点可以有效地加强装配式建筑的连接。在本研究中,在预制结构的梁端安装一种新的开缝式软钢阻尼器,形成梁柱耗能节点。利用ABAQUS软件,对采用开缝阻尼器作为耗能节点的单层-跨单框架结构进行了有限元分析。结果表明,该减振器在结构中最先屈服,耗能性能良好,说明其结构和连接设计合理。消能主要发生在变截面翼缘处,其中带肋腹板确保了所需的承载力和刚度,并提供了可靠的连接。通过对缝式阻尼器在纯弯曲和纯剪切作用下的力学性能分析,得到了其滞回曲线。在OpenSees平台上,采用Steel02 Material模型和两个onodelink单元拟合滞回曲线;采用该方法对裂缝能量耗散进行了参数化模拟。在OpenSees平台上,分析了带缝消能节点的控制结构的动力特性和地震响应,并与未控制结构进行了比较。结果表明,控制结构周期延长,顶层加速度减小,具有减小地震反应的效果。 The shear-dependent seismic reduction ratio was about 35%, while the drift-dependent seismic reduction ratio was about 10%. The seismic performance of bottom story was better than that of the top story, and the damper has good energy dissipation performance in the bending direction. Some detailed design criteria are put forward and consequences for design on the basis of the performed simulations are shown.
1.介绍
以往的地震表明,预制混凝土结构的破坏集中在接缝处[1].梁柱节点、楼板和剪力墙的连接是影响预制结构整体抗震性能的关键部分,需要有足够的强度、刚度和延性[2,3.].研究人员试图探索预制建筑的卓越连接方法。通过使用隔离或能量耗散技术[4],他们放置耗能支撑、连梁、板或剪力墙的拼接构件,在梁柱节点设置阻尼器的目的是:(1)增加节点或构件本身的延性,从而提高连接的可靠性;(2)通过利用节点或构件本身的耗能来控制和减少结构的地震反应。梁柱耗能节点因其在提高装配式建筑连接可靠性方面的作用而越来越受到人们的关注[5].在以往的研究中,作为梁柱耗能节点的耗能装置可分为低屈服点金属阻尼器[3.- - - - - -6,摩擦阻尼器[7,8]粘弹性阻尼器[9]和复合阻尼器[10].
对于低屈服点金属阻尼器,有研究人员提出在金属阻尼器的适当位置设置不同形状的粉砂,以提高其性能。2005年,Korkmaz和Tankut [1]提出了一种翼缘上开缝h -梁和t -梁焊接金属阻尼器,并对不同肋宽和开缝长度的试件进行了梁柱连接试验。2008年,陈和艾伯曼尼[11]对在人字支撑上安装不同长度狭缝的钢板阻尼器进行了滞回试验。2013年,Saffari等人[12]提出了一种缝式阻尼器,该阻尼器设置在梁的下翼缘,以加强节点的强度和延性。2015年,Hedayat等[13]研究了749种狭缝阻尼器作为耗能墙肢的工况,并对结果进行回归,提出了预测滞回曲线临界点的计算公式。2015年,Lee等人[14]提出了一种带条状和沙漏形条带的钢阻尼器。关于各种形状的狭缝金属阻尼器的研究证明,合理设计的狭缝金属阻尼器具有良好的滞后能量耗散和结构简单,易于参数化和更换。此外,它具有低制造成本,对环境温度不敏感的优点,长期时期的高可靠性[15].上述研究中的金属槽式阻尼器可以作为支撑的耗能元件安装在支撑中。也可安装在两层主梁之间作为耗能墙肢。并可安装在梁柱节点下方作为主梁支座。但很少安装在梁端作为主梁的一部分形成梁柱耗能节点。
在结构减震研究方面,2017年,Lee和Kim [3.]提出了一种箱形开槽钢板阻尼器,并将其用于结构抗震加固。结果表明,该阻尼器可以在较小的尺寸下获得较大的耗能。在目标性能极限状态下,采用能力谱方法安装的阻尼器可以有效抑制层间漂移。然而,目前对梁柱耗能节点结构抗震性能的研究还比较有限。
为了提高预制结构的梁柱接头的地震可靠性,需要将狭缝阻尼器放置在梁柱接头处作为其能量耗散组分。另外,阻尼器必须具有足够的初始刚度,并且可以在适当漂移时具有能量耗散的塑性状态。在阻尼收益率后,也应确保主光束的安全性能。因此,阻尼器不仅应符合预制建筑的标准,而且易于安装和更换。因此,本研究主要涉及如何设计放置在主光束的末端的开槽阻尼器的问题,并且适合于形成制造的光束柱的能量耗散接头以及如何确保初始刚度,屈服漂移,后产率刚度可以满足结构的要求,以减少其地震反应。此外,本研究旨在找到一种数值模拟方法,以准确地模拟恢复力模型和机械性能,从而分析控制结构与能量耗散接头的动态特性和地震减少效果。
2.开槽消能缝的繁荣
2.1.开槽式阻尼器的结构
考虑到将形成作为梁柱耗能节点的金属阻尼器放置在框架梁的末端,要求其(1)具有足够的初始刚度,以保证结构在正常使用条件下的安全可靠;(2)具有较小的屈服位移和屈服后刚度,以保证在设计目标地震动下,能够达到耗能和滞回状态来吸收地震能量;(3)其最大承载能力满足结构在大地震下防止破坏的要求,从而保证地震期间和震后的安全;(4)具有良好的耗能能力;与(5)具有可靠的连接。提出了一种由变截面翼缘和带肋开缝腹板组成的开缝低屈服点钢阻尼器。阻尼器的两侧由预埋螺杆和锚板的两块连接板固定。阻尼器的结构如图所示1.
由于外凸缘的厚度较薄,通过控制凸缘的厚度,可以确保阻尼器以迅速屈服,并且功率大部分的变形和阻尼器的变形和产量主要发生在凸缘上。幅材被开槽以形成梁肋网,其屈服力和承载能力可以通过肋的量,宽度和厚度控制。阻尼器的两侧通过双关节板与具有高强度蜗牛和锚板的双关节板连接,该锚板被束在梁柱芯区域中,并且两个连接板焊接在小板的外圈周围以确保连接的可靠性。
2.2.接头性能
以某典型框架结构建筑底层一定跨度为研究对象,底层高度为3.3 m,开间长度为6 m。在梁的末端安装了一个开缝阻尼器,并对其施加水平循环荷载。混凝土采用强度等级C35,钢筋采用HRB400。上部结构传递给底层柱的荷载为150kn。框架模型和阻尼器的尺寸如图所示2,梁柱配筋如图所示3..所有钢筋均为中国规范三级钢筋。减振器采用PLY160,如图所示4其材料性能在文献中有描述[16].滞回加载系统如图所示5.
(一)
(b)
通过有限元分析,得到了框架结构的滞回曲线和骨架曲线,如图所示6.
从滞后和骨架曲线可以看出,滞后回路是丰满的,表示良好的能量耗散,并且结构在3.992mm的水平漂移处达到塑性状态。此时,观察到阻尼器,钢筋和混凝土的应力状态如图所示7.
(一)
(b)
(c)
阻尼器在翼缘较薄部位首先屈服,应力较大的部位集中在翼缘上,而大部分钢筋和混凝土仍处于低应力状态。钢筋的最大应力出现在柱的底部,为80 N/mm,屈服强度的22.9%,极限强度的20%。混凝土的最大应力出现在上柱内部,为18 N/mm,占开裂应力的78%,占极限强度的62%。
数字8显示了60毫米水平漂移处的应力云图。
(一)
(b)
(c)
当水平平巷装药至60mm时,停止装药。从应力云图可以看出,结构的变形集中在阻尼器上。阻尼器的能量耗散保护了主体结构不受破坏。只在柱的底部发现了钢筋的屈服。减振器的屈服部分主要集中在翼缘区域,说明翼缘是减振器的主要耗能部位。腹板的梁肋不屈服,保证了阻尼器的承载能力。
3.OpenSees中开槽接头的建模
ABAQUS软件在精细且可视地创建几何模型,设置联系,生成网格和推广后处理可视化的优势。因此,它适用于构建用于开槽接头的固体元件以实现微模拟。开源开放式平台具有丰富的非线性元素,材料数据库和为强大的非线性分析开发的算法,以模拟大结构的地震反应,表明其在结构的地震性能分析方面的优势。因此,有必要找到一种有效的方法来模拟开放式平台中的开槽接头。
3.1.连接单元与恢复力模型
在Opensees中,Twonodelink用于模拟零长度或非零长度的连接元件。单轴应力 - 应变材料关系可以用作连接元件的机械模型,并且力漂移关系可以用作材料模型。数字9显示其机械图,其中“u1,问1”、“你2,问2”和“u3.,问3.,分别表示单元在轴向、弯曲方向、扭转方向上的应变与应力、漂移与力的关系。这些方向可以相互耦合,也可以相互分离。
在Opensees中,钢铁02材料用于模拟各向同性菌株硬化单轴Giuffrè-Menegotto-Pinto钢材[17].本构模型适用于具有已知屈服力,初始刚度和产率刚度的恢复力模型的参数输入,并且可以通过形状参数调节滞后曲线。
采用Steel02材料分别拟合了缝式阻尼器在剪切方向和弯曲方向的滞回曲线。然后在这两个方向上给出了两个onodelink的力和漂移关系,作为开缝阻尼器的力学模型。
3.2.阻尼器的参数化仿真
在ABAQUS中进行有限元仿真分析,得到了缝式阻尼器在剪切和弯曲方向上的滞回曲线。分析模型和加载系统如图所示10.
(一)
(b)
(c)
(d)
钢02材料一共有12个参数。通过调整参数,将有限元模拟结构拟合到弯曲和剪切方向的滞回曲线上,如图所示11.参数的值如表所示1.
(一)
(b)
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通过对比ABAQUS有限元分析结果的滞回曲线与OpenSees中输入和调整参数拟合的参数,可以发现直接输入屈服力和初始刚度时两者匹配良好。通过调整滞回曲线的形状参数,可以很好地匹配承载能力、卸载刚度和累积耗能。由于Steel02为双线性模型,有限元仿真中减振器的刚度和强度略有退化,屈服后的刚度呈现曲线形态,不能完全拟合到Steel02模型中。一般情况下,利用Steel02材料模型OpenSees可以很好地模拟开缝阻尼器在弯曲和剪切方向上的滞回特性。
3.3。仿真验证
在OpenSees平台上,ABAQUS有限元分析中的单层跨框架模型1.2已建立,如图12.部分中的方法2.2对相同参数的阻尼器进行了数值模拟。通过对比,ABAQUS和OpenSees的滞回曲线和骨架曲线如图所示13.
(一)
(b)
数字14表明,就滞后曲线而言,开放式中的刚度比ABAQUS更快地降低。因此,开放式中的滞后曲线具有更明显的捏合效果。就骨架曲线而言,两者在初始刚度,屈服点和承载力方面很好。开槽阻尼器的有效仿真是实现开放式平台结构的抗震研究的关键点。
(一)
(b)
4.可控结构的地震反应分析
利用上述仿真方法,在OpenSees平台上对具有开缝耗能节理的结构进行了数值模拟、动力特性分析和地震响应分析。
4.1.结构分析模型的建立及元件的选择
一个跨度六层钢筋混凝土结构,两个方向的跨度为6米,故事高度为3米,设计为不受控制的结构。框架光束的截面为250×500mm2第1层和第2层框架柱截面为700 × 700 mm23-6层楼的截面为600 × 600毫米2.混凝土采用C40级混凝土,钢筋采用HRB400级混凝土。金属阻尼器被放置在每层非控制结构的梁端作为控制结构。FE模型,如图所示14,利用OpenSees建立数值分析。采用基于力的梁柱单元模拟钢筋混凝土梁柱,每个单元设置4个积分点。通过截面聚合器命令,给出了截面纤维在轴向和剪切方向上的特性,确定了钢筋混凝土梁柱的截面尺寸和配筋。在弯曲和扭转方向上,通过计算确定了钢筋混凝土梁柱的弯曲刚度和扭转刚度值。采用双onodelink单元对该阻尼器进行了仿真。利用Steel02本构模型,定义了两种不同的本构特性,分别代表剪切和弯曲方向的滞回特性,并给出了两种onodelink单元。这两个方向是相互耦合的。
4.2。模态分析
利用OpenSees平台及其模型进行模态分析,得到非控制结构的特征周期为0.631 s。为了保证模型的准确性,利用Etabs软件建立另一个非受控结构模型进行模态验证。误差为0.6%,说明OpenSees分析模型是正确的。控制结构的特征周期为0.772 s,说明阻尼器的放置延长了结构的周期。
4.3。加速度分析
在罕见地震条件下,在基本加速度为0.15 g的情况下,将El Centro波、Taft波和Tongan人工波分别输入可控结构和受控结构,分析比较了它们的地震反应。数字15显示了在三个地震波下的不受控制和受控结构的峰值点的顶层加速时间历史响应和加速度值。
(一)
(b)
(c)
“structure - u”表示非受控结构,“structure - c”表示受控结构,“peak - u”表示非受控结构的加速度峰值,“peak - c”表示受控结构的加速度峰值。顶层在El Centro波、Tongan波和Taft波作用下的减震率分别为27.1%、−1.6%和17.9%,平均减震率为14.4%。计算减震比的公式为
这说明耗能节理对结构的加速度有抑制作用。
4.4。剪切力和漂移分析
非控制结构和控制结构的层间剪力及其减震率如图所示16.层间漂移及其减震率如图所示17.各层的减震率见表2和3..
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
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分析表明:剪力减震比在23.5% ~ 41.7%之间,平均减震比为34.9%;漂移减震率在−31.9% ~ 37.4%之间,平均为10.4%,Taft波下仅在层6处出现负减震率,同安波下仅在层2和层6处出现负减震率。研究结果表明,消能缝能有效减小结构层间剪力,剪力的减震效果优于漂移的减震效果。第一至三层的平均剪切减震率为38.0%,平均漂移减震率为21.2%。第四至第六层平均剪切减震率为31.8%,平均漂移减震率为−0.4%。结果表明,消能节点对下层结构地震反应的控制效果优于上层结构。
4.5.减振器的耗能分析
在三种地震波作用下,观察顶层单轴框架梁左端阻尼器的剪力和弯矩及其对应的变形关系。在剪切方向,阻尼器仍处于弹性阶段,没有开始耗能。在弯曲方向,阻尼器的耗能滞回圈丰满,如图所示18.
(一)
(b)
(c)
5.设计建议
5.1.反应谱分析
在上述仿真的基础上,通过归一化峰值得到了三波的伪加速度响应谱和位移响应谱,并考虑了附加阻尼的影响。可以得到非受控结构和受控结构的响应值,如图所示19和20..
虚线表示不考虑附加阻尼的响应谱曲线,实线表示考虑附加阻尼的响应谱曲线;○和∗分别表示这种情况下的非受控和受控结构响应。在伪加速度响应谱中,控制结构达到峰值后,沿响应谱曲线周期增大,加速度响应减小;阻尼器的滞回耗能为结构提供了额外的阻尼,额外的阻尼可以进一步减小结构的响应。在位移响应谱中,位移随周期的增大而相应增大,但考虑到附加阻尼,位移得到了一定的抑制。考虑到这两个因素,被控制结构的位移比很可能会比被控制条件下减小,但减小的比例没有加速度响应那么大。因此,层间剪力的减震效果优于层间漂移的减震效果。当结构遭受强震时,阻尼器会进一步屈服并消耗能量;控制结构的周期进一步增大,加速度和层剪控制效果会更好。
5.2。设计建议
在梁端设置阻尼器,形成耗能连接,以减少结构的地震反应。一方面,阻尼器改变框架梁的刚度,从而改变结构的刚度特性;另一方面,由于阻尼器的塑性变形,改变了结构的阻尼特性。根据上述反应谱分析,对结构设计提出以下建议:(1)从地震减少率和响应谱的分析,可以看出,能量耗散关节结构显而易见的加速和剪切的地震减少效果;因此,加速抗震率和剪切地震减少率可用作主要设计指标。特别是对于具有短自然周期的建筑,该指数可以将该指数设置为20%以上,作为这种结构的设计标准。(2)位移控制效果不如剪力好,但可以适当放宽相应的设计标准。这是因为在地震中,在梁端添加的阻尼器需要具有较小的刚度才能首先屈服和耗散能量。由于楼板的位移大多是由减振器本身的变形引起的,所以结构的主要构件不会产生较大的变形,甚至是完整的。因此,在制定设计标准时,建议减少对位移限值的限制,在保证一定条件的情况下,甚至可以进一步放宽具体的抗震限制标准。例如,中国的《建筑物抗震设计规范》[18]限制钢筋混凝土结构层间弹塑性位移角为1/50,在适当情况下可增加到1/30。(3)合理选择减振器可以获得较好的减振效果。阻尼器的初始弯曲刚度、屈服弯矩、初始剪切刚度、屈服力等参数的变化会影响结构的地震响应。不同的参数对地震反应有不同程度的影响,有些参数甚至有相反的影响。有必要采用性能曲线等方法进行进一步的参数分析。(4)阻尼器布局优化:例如,使用遗传算法对不同布局进行迭代计算[19]可以增强减震效果,或者在保持现有减震效果的同时控制建筑物的成本[20.].
5.3。设计结果
结合本文的实例,结合以上设计建议,进行深化设计。在弯曲方向,在一定范围内,结构性能曲线如图所示21.研究了阻尼器屈服弯矩和初始弯曲刚度的变化对结构底层剪力减震率和位移减震率的影响。
我的为屈服弯矩;Kd/Kb为阻尼器的初始弯曲刚度与框架梁弯曲刚度的比值。实线表示初始弯曲刚度在恒定屈服弯矩下对减震率的影响,虚线表示屈服弯矩在恒定刚度比下对减震率的影响。从图中可以看出21在相同弯矩条件下,剪力减震率随刚度比的增大而增大。当刚度较小时,该增量显著,当刚度较大时,该增量较慢;因此,在0.05 ~ 0.2范围内的刚度比可视为剪切力阻尼的敏感区,大于0.2范围为非敏感区。当刚度比大于0.2时,阻尼器刚度的变化对结构的剪切阻尼率没有显著影响,但过大的刚度会导致位移减震率的降低。当刚度比为0.05,屈服弯矩分别为80 kN•m和70 kN•m时,剪力出现负减震率。在相同刚度比下,位移的减震率随阻尼器屈服弯矩的增加而显著增大,而剪切阻尼率变化不大。从底层弯曲方向的抗震性能曲线可以看出,屈服弯矩为30 ~ 40 kN•m左右,初始弯曲刚度比为0.2 ~ 0.6效应时,位移和剪切阻尼均达到最佳。采用相同的分析方法,还可以得到其他楼层阻尼器参数的最佳设计范围。
在剪切方向上,在图中示出了屈服力和初始刚度变化对阻尼器的能量消耗的影响22和23.
(一)
(b)
(一)
(b)
屈服力和初始剪切刚度都需要设计在一定范围内,使阻尼器消耗能量。当剪切刚度相同时,随着屈服力的增大,滞回线逐渐减小,甚至成直线。但在相同屈服力下,剪切刚度对剪切耗能影响不大。
从这种情况下的设计结果的分析,可以看出,开槽的地震效应减少能量耗散联合结构极大地受到弯曲方向的参数,但阻尼器的耗能能力更敏感的剪切方向参数。通过合理的设计,可以达到最佳的减振效果。
6。结论
本研究提出了一种新的开槽温和钢阻尼器,其适用于预制结构,以形成为光束柱能量散热接头。基于开槽能量散热接头的参数化模拟,分析了受控结构的动态性能和地震减少机理。结论如下:(1)框架的屈服机构表明开槽阻尼器的能量耗散有效地保护了主要结构。此外,阻尼器表明它具有良好的能量耗散。能量耗散主要发生在可变部分的法兰上。梁肋网确保所需的轴承容量和刚性,连接是可靠的[21]。(2)可以使用钢02材料模型和Twonodelink元件在OpeneSe中模拟开槽能量散热接头。该参数化仿真在分析开槽接头的结构时至关重要。(3)具有开槽能量散热接头的结构可以减少地震反应。与不受控制的结构相比,受控结构具有更长的时间,并降低了最顶层的加速度。而且,受控结构的剪切依赖性地震减少率为约35%,漂移依赖性地震减少约为10%。底层故事具有比顶部故事更好的地震减少效果,阻尼器在弯曲方向上有良好的能量耗散。(4)通过分析加速度响应频谱和位移响应频谱,提出了用于消耗节点结构的设计建议。在此基础上,可以深化设计以实现更好的减震效果。
数据可用性
支持本研究结果的数据包括在文章中或可以通过电子邮件从通讯作者获得。
利益冲突
提交人声明他们没有关于本文的出版物的利益冲突。
致谢
基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:no。福建省中青年教师科研项目基金(批准号:51678158);福建省江夏学院科研人才培养项目(批准号:JAT170615);20 kx17xz04)。此外,研究小组成员在修正案中提供了帮助;作者感谢他们的帮助。
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