Y型偏心支撑框架结构滞回性能数值模拟

刘文渊1冷捷1段文峰2

(1:南京理工大学泰州科技学院, 泰州225300;2:吉林建筑大学土木工程学院,长春130118)

摘要：考察ANSYS软件进行Y型偏心支撑钢框架的滞回性能的数值模拟的可行性.根据已有Y型偏心支撑钢框架滞回性能试验,分别建立梁壳模型、全壳模型、全实体模型进行数值分析.对比数值模型与试验的滞回性能曲线,分析数值模拟与试验得出的承载力、初始刚度、卸载刚度、刚度退化及耗能能力的差异.研究表明，在模拟承载力及刚度退化时采用全实体模型更为合适,模拟初始刚度、卸载刚度及耗能能力时采用梁壳模型更为合适.

关键词：Y型偏心支撑；滞回性能；有限元；耗能能力

收稿日期：2015-03-13.

作者简介：刘文渊(1982～), 男, 江苏省泰州市人,讲师,硕士.

中图分类号：TU 352.1文献标志码：A

Numerical Analysis of Hysteretic Behavior of Y-shape

Eccentrically Braced Steel Frame

LIU Wen-yuan1，LENG Jie1，DUAN Wen-feng2

(1:TaizhouInstituteofScienceandTechnology,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Taizhou,China225300;

2:SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Verified the reliability of hysteretic behavior of Y-shape eccentrically braced steel frame using ANSYS software. Based on the hysteretic behavior test of Y-shape eccentrically braced steel frame,beam and shell model,shell model and solid model were constructed. The hysteretic curves of numerical model were compared with the experiment curves. The differences between finite element analysis and experiment on bearing capacity, initial stiffness, unloading stiffness, stiffness degradation and energy dissipation were analyzed. The results show that using solid model can be more suitable for bearing capacity and stiffness degradation,using beam and shell model can be more suitable for initial stiffness, unloading stiffness, stiffness degradation and energy dissipation.

Keywords:Y-shape eccentrically braced；hysteretic behavior；finite element model(FEM)；behavior of energy dissipation

1概述

强震作用下中心支撑易屈曲,支撑屈曲将导致结构刚度及水平承载力急剧下降,使中心支撑钢框架结构耗能能力弱化,从而限制其在高烈度地区的应用.问井夫等[1]对中心支撑进行改进,提出Y型偏心支撑的概念.设计时将耗能梁段设计为薄弱部位,迫使耗能梁段在强震作用下首先进入塑性阶段,而支撑及框架仍然保持弹性,从而避免支撑失稳.在多遇或设防地震水准下,偏心支撑基本处于弹性状态或刚刚屈服,这使得其抗侧刚度与中心支撑框架结构相当.在罕遇地震作用下,偏心梁段(又称耗能梁段)充分发展塑性,耗散大量地震输入能量.

国内关于Y型偏心支撑框架的研究始于上个世纪90年代.于安麟[2]对EK,K,Y型支撑进行拟动力试验研究.EK型及Y型支撑受剪腹板(耗能梁段处腹板)首先发生剪切屈服,能有效地阻止支撑杆件的屈曲且承载力无降低现象,滞回曲线也呈饱满的纺锤型，而且Y型较EK型偏心支撑对横梁的变形影响更小.赵宝成、顾强[3]采用自编有限元分析程序,梁、柱及支撑采用梁单元,耗能梁段采用曲壳单元,采用了混合强化本构关系,考虑几何及材料非线性,对Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能进行详细分析.孟亮[4]采用ANSYS有限元软件进行非线性分析,所有构件均采用shell181壳单元,研究耗能段的长度、腹板高度、腹板厚度对耗能能力的影响.赵晓敏[5]采用ANSYS有限元软件进行动力时程分析,有限元模型建立时框架梁、柱及支撑采用beam188梁单元,而耗能梁段及与梁相连的一小段段采用shell181壳单元,梁单元与壳单元之间采用刚性梁相连.研究耗能梁段的长度、耗能梁段腹板的高厚比、耗能支撑的布置等抗震性能的影响.闫月梅、郭秉山[6]采用ANSYS有限元软件进行非线性分析,所有构件均solid45实体单元,建立5个不同耗能梁段长度的Y型偏心支撑钢框架,对滞回性能与耗能梁段的耗能性能进行分析.研究发现耗能梁段长度对Y型偏心支撑钢框架的强度、刚度、延性和耗能性能影响显著.耗能梁段越短,其塑性变形越大,承载力越高;耗能梁段过长的抗震性能较差.于安林、赵宝成等[7-8]对Y型偏心支撑钢框架的低周往复加载试验,研究耗能梁段腹板高厚比、耗能梁段长度对结构水平承载力、抗侧刚度及耗能能力的影响.

本文将以于安林、赵宝成等[7-8]Y型偏心支撑钢框架的低周往复加载试验为基础，分别采用梁壳模型、全壳模型和全实体模型进行滞回性能分析,并将结果与试验值进行比对.分析不同有限元模型进行Y型偏心支撑钢框架滞回性能数值模拟的优缺点,为后续对Y型偏心支撑框架结构进行系统研究时合理的选择有限元模型提供依据.Y型偏心支撑钢框架结构由框架、支撑、耗能梁段(偏心梁段)三部分组成见图1.

图1　Y型偏心支撑钢框架　　　　　图2Y型偏心支撑钢框架几何尺寸　　　　　图3试验加载实况

2试验介绍

为对比不同单元类型建立有限元模型,模拟Y型偏心支撑钢框架力学性能的可靠性.选取已有Y型偏心支撑钢框架试验[7-8],采用ANSYS软件对其进行数值模拟,分析结构的滞回性能进行验证.偏心支撑钢框架结构各构件的几何尺寸如图2,构件的截面尺寸见表1.为阻止耗能梁段腹板过早屈曲,在腹部位等间距增设2道加劲肋,加劲肋厚度8mm.组成构件的各板材的材料力学性能参数[7-8]见表2.

表1　Y型偏心支撑钢框架试件截面尺寸

表2　Y型偏心支撑钢框架试件钢材的力学性能

试验模型中框架柱脚及支撑底部通过高强螺栓固定在刚型梁上,实现柱脚为刚接.每层梁、柱节点处设置滚动滑轮,约束框架的平面外,避免试验过程中出现平面外失稳.试件通过固定在反力墙上电液伺服作动器的对框架顶层梁中心线施加，试验加载实况如图3所示，对框架柱顶施加的水平往复荷载如图4所示.

图4　试验位移加载曲线　　　　　图5随动强化应力-应变关系　　　图6梁单元、壳单元的连接示意

3有限元模型

为比较3种不同单元建立有限元模型进行Y型偏心支撑框架结构滞回性能的分析的差异性,下面介绍模型建立及分析过程中涉及的材料本构的设置、单元类型、网格划分、边界及加载.

3.1材料本构

在进行滞回性能分析时,各模型的本构关系均采用考虑应力强化的双线性随动强化的弹塑性应力-应变关系模型见图5.双线性随动强化模型中的切线模量可定义为Es=(fu-fy)/(εu-εy),公式中的参数可根据表2的材性试验数值确定.对实体单元及壳单元根据各板件的材性试验数据计算值分别进行设置,而梁单元取翼缘板件的材性试验数据进行梁单元材料本构设置.连接梁单元和壳单元之间的刚性梁材料本构设为线弹性本构，弹性模量为2.1×104GPa,泊松比取0.3.

3.2单元类型及网格划分

梁壳模型中框架梁、柱及支撑采用beam188梁单元,而耗能梁段及与梁相连的一小段段采用shell181壳单元,梁单元与壳单元之间采用刚性梁相连如图6所示.各构件的交接面共节点,用以模拟构件间的刚性连接.壳单元采用四边形映射网格,有限元模型见图7.

全实体模型中所有构件均采用solid185三维实体单元,该单元可用于模拟塑性、大变形、大应变、超弹性等特性，应用增强应变算法解决单元的剪切自锁现象.各构件的交接面共节点,用以模拟构件间的刚性连接.耗能梁段及与耗能梁段连接的框架梁采用扫略六面体网格,其余均采用自由四面体网格,并通过单元网格细化的方法防止板件的单元刚度过大,划分网格后的有限元模型见图8.

全壳模型中所有构件均采用shell181实单元,该单元具有应力刚化、大变形及非线性功能,可用于薄至中等厚度的壳结构的几何非线性和材料非线性问题分析.各构件的交接面共节点,用以模拟构件间的刚性连接.所有构件均采用四边形映射网格,划分网格后的有限元模型见图9.

图7　梁壳模型　　　　　　　　　　　　图8全实体模型　　　　　　　　　　　图9全壳模型

3.3边界条件及加载

按照试验的实际约束情况,对柱底及支撑下部施加固定约束,框架梁施加面外约束，并引入结构的1阶屈曲模态作为初始缺陷,结构的一阶模态为耗能梁段腹板屈曲,因此缺陷幅值取为腹板短边尺寸的1/1000.按照图4的试验时水平往复位移荷载曲线施加,梁壳模型位移荷载直接施加在顶层梁柱节点处,全实体模型、全壳模型将顶层梁柱节点处柱外侧耦合位移方向自由度后施加位移荷载.因为施加的位移荷载较大,将程序中大变形效应开关打开,考虑结构二阶效应的影响.

4分析结果对比

对各有限元模型进行滞回分析,提取出各模型分析得出的顶点位移与底部水平承载力的滞回曲线,并分别与试验曲线进行对比见图10.

(a)梁壳模型　　　　　　　　　　　　　　　(b)全壳模型　　　　　　　　　　　　　　(c)全实体模型 图10Y型偏心支撑钢框架试验与数值模拟滞回曲线对比

由图10可知,梁壳模型、全壳模型、全实体模型模拟获得的滞回曲线均呈饱满的梭形,实体模型与试验曲线整体上吻合最好,梁壳模型次之,全壳单元最差.全实体单元模型获得的曲线的承载力与试验值最接近,梁壳模型次之,全壳单元最差.梁壳模型模拟的初始刚度、卸载刚度与试验结果较为吻合,实体单元模型、全壳单元效果稍差.全实体模型刚度退化与试验值较为接近,而梁壳模型、全壳模型刚度退化较试验值稍大.计算时间上梁壳模型最少,全壳模型次之,全实体模型最多.

5结语

通过ANSYS有限元软件,分别建立梁壳模型、全壳模型、全实体模型进行Y型偏心支撑钢框架的滞回性能分析.研究发现实体模型模拟的承载力与试验最为接近,但初始刚度及卸载刚度偏大;梁壳模型模拟承载力比试验值稍小,但初始刚度及卸载刚度较为接近;全壳单元模型模拟的承载力比试验值更小些,而且初始刚度及卸载刚度偏大.在计算时间允许的情况下研究承载力及刚度退化时采用实体模型较为合适;研究滞回耗能及结构残余变形时采用梁壳模型较为合适.

参考文献

[1]张斌.Y型支撑钢框架抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,1999.

[2]于安麟.EK形、Y形支撑的抗震性能试验研究[J].西安冶金建筑学院学报,1990,22(3):253-260.

[3]赵宝成,顾强.Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能分析[J].钢结构,2006,21(3):75-78.

[4]孟亮.Y型支撑框架循环荷载下滞回性能研究及设计建议[D].西安:西安建筑科技大学,2005.

[5]赵晓敏.Y型偏心支撑钢框架弹塑性动力分析[D].苏州:苏州科技学院,2007.

[6]闫月梅,郭秉山.Y型偏心支撑钢框架受力性能有限元分析[J].西安科技大学学报,2009,29(2):154-158.

[7]赵宝成,于安林,沈淼,李仁达.Y形偏心支撑耗能段长度对结构抗震性能的影响[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2012,28(1):1-7.

[8]于安林,赵宝成,李仁达,沈淼.耗能段腹板高厚对Y型偏心支撑钢框架滞回性能影响的试验研究[J].地震工程与工程振动,2009,29(6):143-148.