自复位支撑框架体系的抗震性能分析-论文.pdf

第 3 6卷第 l期 2 01 4年 2月 工 程 抗 震 与 加 固 改 造 Ea r t h q ua k e Re s i s t a n t En g i n e e r i n g a n d Re t r o f i t t i n g Vo 1 36 No 1 Fe b 2 O1 4 文章编 号 1 0 0 2 8 4 1 2 2 0 1 4 O 1 0 0 7 6 0 4 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 8 4 1 2 2 0 1 4 0 1 0 1 4 自复位支撑框 架体 系的抗震性能分析 何 小辉 武振 宇 温四清 董卫 国 1 中信建筑设计研究 总院 湖北 武汉 4 3 0 0 0 0 2 哈尔滨 工业 大学 土木工程学院 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 提 要 基于 A N S Y S有限元分析平台 开发 了超 弹性 单轴本构 模型 并用 于模拟 自复位支 撑 的力 学行为 接 着对 比分析 了自复位支撑框架与普通支撑框架 的地震 时程反应 分析结果表 明 自复位支 撑框架具有 更好 的抗震性 能 可以更快地 衰减 地震反应 具有较小的震后残余变形 从而 可以减少 结构 的震后修 复难度 和费用 因此 自复位 支撑是 适应基 于性能抗 震设 计需要 的一种新型 防震减灾结构 关键词 自复位支撑 A N S Y S二次开发 本构模型 基 于性 能抗震设计 地震时程分析 中图分类号 T U 3 5 2 1 文献标识码 A Se i s m i c Pe r f o r m a n c e s Ana l y s i s o f t he Se l f c e n t e r i ng Br a c e d Fr a m e S y s t e m s He Xi a o h u i Wu Z h e n y u We n S i q i n g Do n g We i g u o 1 C I T I C G e n e r a l I n s t i t u t e o fA r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h C o L t d W u h a n 4 3 0 0 0 0 C h i n a 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g H a r b i n I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y H a r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n ANS YS FEA p l a t f o r m t h e s up e r e l a s t i c un i a x i a l c o ns t i t ut i v e mo de l i s de v e l o p e d a n d us e d f o r mo de l i ng t h e me ch a n i c b e h a v i o r o f t he s e l f c e nt e r i ng br a c e The n t h e c o mp a r a t i v e a na l y s i s b e t we e n t he s e l f c e nt e r i n g br a c e d f r a me a n d t he o r di n a r y br a c e d fla me u n de r e a r t h q ua k e e x c i t a t i o n h a s b e e n do n e The r e s u l t s h o ws t h a t t h e s e l f c e n t e r i n g b r a c e d f r a me ha s b e t t e r s e i s mi c p e rfo r ma n c e d e c a y i ng t he s e i s mi c r e s p o n s e s f as t e r a n d k e e pi n g s ma l l e r p o s t e a r t h qu a k e r e s i d ua l de f o r ma t i o n s t hu s c a n r e d uc e t h e di f f i c ul t y a n d c o s t o f po s t e a h qu a k e r e s t o r a t i o n The r e f o r e t he s e l f c e n t e r i n g b r a c e i s a n e w t y p e o f e a r t h qu a k e di s a s t e r mi t i g a t i o n s t r uc t u r e c o mp l y i n g wi t h t h e n e e d o f t h e p e rfor ma n c e b a s e d s e i s mi c d e s i g n Ke ywo r ds s e l f ce nt e r i ng b r a c e s e c o nd de v e l o p me n t o f ANS YS c o n s t i t u t i v e mo d e l pe r f o r ma n c e b a s e d s e i s mi c d e s i g n s e i s mi c t i me h i s t o r y a n a l y s i s E m a i I n e t bo y h x h 1 63 C O B 1 引言 多次震害调查发现 部分结构即使没有发生倒 塌 但 由于残余变形较大 导致结构无法修复而必须 推倒重建 近年来 美 国在下一代基于性 能抗震设 计指南中明确指出了预测结构永久残余变形的重要 意义 并 提 出 了分 析 方 法 和 建 议 另 外 永 久 残 余变形不仅为确定修复受损结构的技术或经济可行 性提供参考 也是评价受损结构经受余震 冲击能力 的重要参数之一 普通钢支撑在强震作用下将发生受压失稳甚至 引发低周疲劳断裂失效 其所在楼层将形成薄弱层 收稿 15 1 期 2 0 1 3 0 9 04 基金项 目 国家科技支撑计划 2 0 0 6 B A J 0 1 B 0 2 01 04 而 引起 塑性变 形 集 中 对 应 支 撑 框 架将 产 生较 大 的 残余变形 另外 在普通钢支撑框架的设计 中 框架 梁 常常 由于考 虑 支撑 失稳 引起 的不平 衡剪 力 而使设 计梁截面较大 导致结构设计不尽合理 为进一步 改善支撑框架结构的抗震性能 不少研究者提出了 防屈 曲支撑 框架 结 构 可 以 避 免支 撑 失 稳 造 成 的不 利影响 但是 由于 防屈 曲支撑构件 的塑性变形 累 积 其残余变形问题仍 旧存在 为此 能够消除残余 变形 的 自复 位 支 撑 引 起 了 国 内外 研 究 者 的极 大 兴 趣 且符合 日益发展 的基于性能抗震设计的需 要 已有研究结果表明 自复位支撑有很好 的抗震 性能和控制结构残余变形的能力 具有很好 的抗震 应用潜力和前景 第 3 6卷第 1期 何小辉 等 自复位支撑框架体系 的抗震性 能分析 7 7 2自复位 支撑 介绍 自复 位 支撑 作 为 一 种 新 型承 载 耗 能 构件 既 可 以耗散地震输入结构的能量 又可 以维持结构的承 载能力和控制结构的震后残余变形 目前 国内外已 开展了少量关于 自复位支撑的试验研究和结构体系 的性能分析 根据支撑 的变形模式 自复位 支 撑可以分为屈曲型和防屈曲型 屈曲型 自复位支撑 可以采用超 弹性形状记忆合金 S MA 棒材 如文 献 8 的 S MA棒材在循环拉压试 验下均体现 出屈 曲 后 自复位特 性 且 屈 曲后 承 载 力较 稳 定 防 屈 曲 型 自复位支撑通常利用预拉应力实现 自复位 其构件 耗能可有多种方式 如利用形状记忆合金材料 的阻 尼耗能特性 摩擦 阻尼耗能特性 和普通 金 属阻尼耗能特 性 等 目前 已研 发的大部分 自复 位 支撑 均为 防屈 曲型 图 1 所 示 为文献 6 试 验 研 究 的 自复 位 支撑 及 滞 回曲线 经 分析 可 知 自复位 支 撑 的力 学 行 为 总 体可以分为 3个阶段 弹性变形阶段 非线性变 形 阶段 自复位变形阶段 其 中前 2者为加载阶 段 第 3阶段为卸载阶段 可见 自复位支撑在经历 非线性变形后卸载 其变形几乎完全 回复 不产生残 余变形 同时 自复位 支撑 的滞 回曲线形成的滞 回 面 积具 有稳 定 而持 久 的特 征 可 以耗 散 一 定 的地 震 输 入 能量 具有 消 能减 震 的作 用 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5l 0 1 5 Br a c e De f o r ma t i o n l e n g t h 图 1 自复位 支撑及滞 回曲线 Fi g 1 The s e l f c e nt e r i ng br ac e a nd i t s hy s t e r e t i c c ur v e s 3 自复位 支 撑的数 值 模拟 自复位支撑的力 变形行为具有较强的非线性 其滞 回行为模拟是制约相应结构体系性能分析的关 键问题 经对 比分析可 以发现 自复位支撑的力 学 行为与形状记忆合金材料 的超弹性 行为是相似 的 因此在有限元模拟方 面 两 者是可 以相互 借鉴 的 目前 通 用 有 限 元 分 析 软 件 A N S Y S A B A Q U S O p e n S E E S S A P 2 0 0 0等 尚不能从构 件层面 即杆单 元 直接模拟 自复位 支撑 限制 了 自复位支撑在实 际 工程 中 的应 用 为 此 本 文 基 于 A N S Y S的 U P F s 二 次开 发功 能建 立 了可 以模拟 自复 位力 学行 为 的单 轴 材 料 本 构 模 型 U MA T S E 从 而 方便 采 用 杆 单元 直接 模 拟 自复位 支撑 构件 同时利用 A N S Y S丰 富的单元库和强大的非线性分析能力 使相应结构 体系分析更成为经济可行 图 2所示 为 A N S Y S程 序 提 供 的 超 弹 性 本 构 模 型 可以模拟 自复位行为 但仅为少数实体和平面单 元 可用 本 文 开 发 的 本 构模 型 U MA T S E 的力 学 行 为 与 A N S Y S自带 S MA本构 相 似 是 对 F u g a z z a 超 弹 性 单轴 本构 模型 的 修 正 可 以 考虑 非 对 称 拉 压 行 为 和马氏体与奥 氏体的弹性模量差异 图 3 a 图 3 c 是对某超弹性棒材试验 的模拟结果 其 中曲 线 H T A 4 一 C T为循环拉伸试验 曲线 A N S Y S S M A为 程序 自带 本 构模 型 的模 拟 曲线 A N S Y S U MA T S E为 L I N K 1 8 0单元采用 U MA T S E本 构的模拟 曲线 经 对比分析可知 本构模 型 U MA T S E可以较好地模拟 形状记忆合金材料的超 弹性 自复位性能 可 以反映 马氏体对后期强化刚度的降低效应 非对称拉压特 性 和循 环 加 卸 载 行 为 有 关 该 本 构 模 型 的开 发 及 程序编写的更详细内容可以参考文献 8 f AM 鞲 M 1 s 图 2超 弹 性 本 构 S M A ANS YS Fi g 2 S upe r e l as t i c m o de l SM A i n ANSYS 4 自复位支 撑框 架抗 震性 能分 析 利用已开发本构模 型 U MA T S E可 以很方便 地 开 展 自复位 支撑 框架 的抗 震性 能分 析 如 图 4所 示 为 分析 所用 3层 钢支 撑框 架结 构 采用 图 4 b 单 榀支撑框架作简化计算分析 并假定 该框架承受整 体结构 的 1 4纵 向水平地震作用 其余框架 为铰接 简单框架 假定 自复位 支撑采用超弹性形状记忆合 金棒 材 记作 S MA支撑 其材料力学行 为采 用 U MA T S E 模拟 按图 3中 H T A 4 一 C T试验曲线取值 且假定拉 压对称 以支撑弹性刚度和屈服轴力相等为原则 Z 3 J o 7 8 工 程 抗 震 与 加 固 改 造 2 0 1 4年 2月 图 4分 析 用 3层 钢 支 撑 框 架 模 型 Fi g 4 The an al yz e d m o de l of t he t hr e e s t or y s t e e l br a c e d f r a me 注 图 b 中构件型材规格 编号为美 国标准 确定替换普通钢支撑 的 S MA支撑 的长度和截面积 分别为 8 1 9 ram和 7 1 0 0 mm 第 1 2层 8 1 9 ram和 3 9 9 4 mm 第 3层 S MA支撑 在 两 端 设 置 刚性 杆 并 与梁 柱 铰接 框 架梁 柱 均采用 有 限应变 塑性 梁 单元 B E A M1 8 9模 拟 所用 钢材 屈服强 度 为 3 4 5 M P a 普通支撑也采用 B E A M1 8 9模拟 并考虑 1 弯曲矢 高的几何缺陷以模拟支撑受压屈 曲行为 所用钢材 屈服强度为 2 4 8 MP a S MA支撑假定不发生屈曲 采 用 L I N K 1 8 0模拟 若采用其它 自复位支撑形式 则 同样可以基于刚度和屈服承载力等效进行广义力一 变形关系换算 结构 自重采用质量单元 MA S S 2 1模 拟 位 于梁 柱 节点及 梁 与支撑 的 连接点 为合理 考虑 计算 框架 承受的重量 同时忽略其余简单框架 铰接框架 抵 抗水平地震作用和 P 一 效 应 重力二阶效应 的抗 侧 移 能力 有 限元 模 型 添 加摇 摆 柱 见 图 4 b 的 虚 线部分 以承担非计算框架所属的结构 自重 结构 柱底 为 固接 梁 柱 节 点 为 刚 接 顶 层 为 铰 接 支 撑 与梁 柱 的连 接为 铰接 本 文有 限元模 型 的基 本 自振 周 期 为 0 4 7 6 s 与 文献 9 的 0 4 6 s 相差 3 5 验证了本文分析模 型 的正确性 选 取 E 1 C e n t r o波 和 K o b e波 如 图 5所 示 进行 考 虑几何 非 线性 和材 料 非线 性 的 水平 地 震 时程分 析 并 考虑 结构 自重 效应 的组 合 计 算 时取结 构 阻尼 比为 0 0 5 如 图 6 图 8所 示 为计算 所 得结 构侧 移 时程 反应 曲线 及顶 层支撑 轴 力 变形 曲线 S F 表 示钢 支撑 框架 S E F表示 S M A支 撑框架 T i me s e e T i me s e c a E l C e n t r o 波 f b K o b e 波 图 5计算用地震波 Fi g 5 Se l e c t e d e ar t hqua ke wa v e s 冀 蕊 5 i 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 4 如 时 间 s 时问 s a E J C e n t r o激励 b Ko b e激励 图 6结 构 屋 面 侧 移 反 应 Fi g 6 Dr i f t r e s po ns e s a t r o o f of s t r uc t ur e 时间 s a E l C e n t r o 激励 6 sS EF F O 5 l O 1 5 2 0 2 5 3 O 时 间 s b K o b e 激励 图 7 顶 层层 间侧 移反应 Fi g 7 I nt e r s t o r y dr i f t r e s po ns e s a t t he t hi r d floo r l 5 00 2 1 0 0 0 邑5 0 0 R 0 撂 5 0 0 髓 1 0 0 0 p 1 5 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 O 1 0 0 0 2 0 0 0 Ca E 变l 形 n t r o 励 蒜 K形 0 b ne t 激 励 b 励 图 8顶 层 支 撑 力 变 形 反 应 Fi g 8 For c e d e f o r m a t i on r e s po ns e s o f br a c e s at t he t hi r d flo or 对 比图6 图 8的曲线 可以发现 结构在 E l 第 3 6卷第 1 期 何小辉 等 自复位支撑框架体 系的抗 震性能分析 7 9 C e n t r o 波 下 的侧移 反应 较 小 其 中 S M A 支撑 框 架 的 屋 面 最 大 侧 移 角 仅 为 0 4 6 而 K o b e波 下 可 达 1 9 S MA支撑 框 架 的 屋 面 最 大 侧 移 均 比普 通 钢 支撑框架要大 但具有较小的顶层最大层间侧移 普通钢支撑均 因受压屈 曲而发生承载力 退化 S MA 支撑则具有稳定 的滞 回反应和 自复位特 征 S MA 支撑框架的震后残余侧移均小于普通钢支撑框架 尤其是在 K o b e波激励下 虽然框架梁 柱 出现 了塑 性铰 但 S MA支 撑框 架 的屋 面残 余 侧 移 角 仅 为 0 1 5 约 为普 通钢 支撑 框架 的 1 5 由此 可 见 自复 位 支撑 框 架 具 有 比普 通 钢 支撑 框 架更 好 的抗 震性 能 可 以更 快 更有 效地 衰减 结构 的地震作用效应 且具有较小的震后残余变形 从而 可 以减 轻结 构 的震 后修 复工 作量 5 结 语 1 本文开发的单轴本构模型可以较好地模拟 形状记忆合金材料 的超弹性行为 且可 以方便采用 杆 单元 直接 模 拟 自复 位 支 撑 的 力学 行 为 同 时利 用 A N S Y S丰 富 的单 元 库和 强 大 的非 线 性 分 析 能力 使 相应结构体系分析更为经济可行 2 普通 钢 支撑框 架 在 强 震作 用 下 将 发 生支 撑 受压屈曲 导致结构抗震性能发生退化 并产生较大 的震后残余变形 3 自复位 支 撑 框 架 具 有 更 好 的抗 震 性 能 支 撑具 有 稳定 的滞 回反 应 和 自复位 特 征 其 结构 地 震 反应衰减更快 且具有较小的震后残余变形 从而可 以减少结构的震后修复难度和费用 因此 白复位 支撑 是 一种 更有 效 的新 型防震 减 灾结 构 参考文献 R e f e r e n c e s 1 A T C 一 5 8 G u i d e l i n e s f o r S e i s m i c P e r f o r m a n c e A s s e s s me n t o f B u i l d i n g s S C a l i f o r n i a F e d e r a l 2 Eme r g e n c y Ma na ge m e n t Ag e nc y 2 00 9 L uc o N Ba z z u r r o P Co r ne l l C A Dy na mi c Ve r s u s S t a t i c Co mp u t a t i o n o f t he Re s i d u a l Ca pa c i t y o f a Mai n s h o c k Da ma ge d Bui l d i ng t o W i t h s t a n d a n 作者简 介 何小辉 1 9 8 2 男 博士研究生 3 4 5 6 7 8 A f t e r s h o c k A P r o c e e d i n g s o f t h e 1 3 t h Wo r l d C o n f e r e n c e o n E a rt h q u a k e E n g i n e e r i n g C V a n c o u v e r Ca na da 2 00 4 2 40 5 Do l c e M Ca r d o ne D Po n z o F C e t a 1 S h a ki n g Ta bl e Te s t s o n Re i nf o r c e d Co n c r e t e Fr a me s wi t h o ut a nd wi t h P a s s i v e C o n t r o l S y s t e m s J E a r t h q u a k e E n g n g S t r u c t Dy n 20 05 3 4 1 6 87 1 71 7 Zh u So ng y e Zha ng Yu n f e n g S e i s mi c Be h a v i o ur o f S e l f Ce n t e r i n g Br a c e d Fr a me Bu i l di n g s wi t h Re u s a bl e H y s t e r e t i c D a m p i n g B r a c e J E a r t h q u a k e E n g n g S t r u c t Dyn 2 00 7 36 1 3 2 9 1 34 6 Zh u So n g y e Zha n g Yun f e n g Se i s mi c An a l y s i s o f Co n c e n t r i c a l l y Br a c e d Fr a me Sy s t e ms wi t h S e l f Ce n t e r i n g F r i c t i o n D a m p i n g B r a c e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g 2 0 0 8 1 3 4 1 1 2 1 1 3 1 C h r i s t o p o u l o s C Tr e mb l a y R K i m H J e t a 1 S e l f c e nt e r i ng En e r g y Di s s i pa t i v e Br a c i n g S ys t e m f o r t h e S e i s mi c Re s i s t a nc e o f