带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究_于海丰.pdf
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1、第4 4卷第3期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yJ u n e2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 3-0 2 8 6-1 1带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究于海丰1,2,3,王 炜4,吴杨周1,马 康1,2,3,王 焱1(1.河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8;2.河北省岩土与结构体系防灾减灾技
2、术创新中心(筹),河北石家庄 0 5 0 0 1 8;3.智能低碳装配式建筑技术研究中心,河北石家庄 0 5 0 0 1 8;4.河北省房地产业发展研究中心,河北石家庄 0 5 0 0 5 1)摘 要:为提高弯曲型耗能梁塑性变形能力,提出一种带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构。采用数值模拟方法研究削弱起点a、削弱深度c及耗能梁加劲肋间距等关键设计参数对带骨式削弱的弯曲型耗能梁K形偏心支撑结构抗震性能的影响,对比削弱模型与B a s e模型之间的承载能力、刚度及耗能能力等性能指标。结果表明,当削弱起点a取值在2hf3hf之间、削弱深度c取值在2tf4tf之间及加劲肋间距为0.7bf左右时,
3、削弱模型与B a s e模型各性能指标相差不大。带骨式削弱设计及加劲肋间距能够使耗能梁端部翼缘更大区域出现弯曲塑性变形,提升耗能能力,为后续进行弯曲型偏心支撑结构抗震性能研究提供参考。关键词:结构设计;偏心支撑钢框架;弯曲型耗能梁;骨式削弱;抗震性能中图分类号:TU 3 9 1 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 3 0 0 9 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 2;修回日期:2 0 2 3-0 3-0 1;责任编辑:冯 民基金项目:河北省自然科学基金(E 2 0 2 1 2 0 8 0 1 0,E 2 0 1 9 2 0 8 3
4、 2 2)第一作者简介:于海丰(1 9 8 0),男,辽宁兴城人,教授,博士,主要从事钢结构方面的研究。通信作者:王 炜。E-m a i l:w a n g w e i h e b m a i l.g o v.c n于海丰,王炜,吴杨周,等.带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(3):2 8 6-2 9 6.YU H a i f e n g,WAN G W e i,WUY a n g z h o u,e t a l.S t u d yo ns e i s m i cb e h a v i o u ro fK-e c c e n t r
5、i c a l l yb r a c e ds t e e l f r a m ew i t hd o g-b o n er e d u c e df l e x u r a l l i n kJ.J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(3):2 8 6-2 9 6.S t u d yo ns e i s m i cb e h a v i o u ro fK-e c c e n t r i c a l l yb r a c e ds t e
6、 e lf r a m ew i t hd o g-b o n er e d u c e df l e x u r a l l i n kYU H a i f e n g1,2,3,WANG W e i4,WUY a n g z h o u1,MAK a n g1,2,3,WANGY a n1(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0
7、 5 0 0 1 8,C h i n a;2.I n n o v a-t i o nC e n t e r o fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dM i t i g a t i o nT e c h n o l o g y f o rG e o t e c h n i c a l a n dS t r u c t u r a l S y s t e m s o fH e b e i P r o v i n c e(P r e p-a r a t i o n),S h i j i a z h u a n g,H e b e i0 5 0 0 1 8,
8、C h i n a;3.E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e rf o rI n t e l l i g e n t&L o w-c a r b o nA s s e m b l e dB u i l d i n g,S h i j i a z h u a n g,H e b e i0 5 0 0 1 8,C h i n a;4.H o u s i n g M a r k e tR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e ro fH e b e
9、 iP r o v i n c e,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo f f l e x u r a l l i n k s,aK-e c c e n t r i c a l l yb r a c e ds t e e l f r a m e s t r u c t u r e第3期于海丰,等:带骨式削弱弯曲型耗能
10、梁K形偏心支撑框架抗震性能研究w i t ht h ed o g-b o n er e d u c e df l e x u r a l l i n kw a sp r o p o s e d.T h ee f f e c t so f t h ek e yp a r a m e t e r s,s u c ha s t h ew e a k e n i n gs t a r t i n gp o i n taa n dt h ew e a k e n i n gd e p t hc,a sw e l la st h el i n ks p a c i n go ft h es t i f f
11、 e n e r so nt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h eK-e c c e n t r i c a l l yb r a c e ds t e e lf r a m es t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s.T h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t y,s t i f f n e s sa n de n e r g yd i s s i p a t i o
12、 nc a p a c i t yb e t w e e nt h ew e a k e n e dm o d e la n dt h eB a s em o d e lw e r ec o m p a r e d.T h er e s u l ts h o w st h a tt h ew e a k e n i n gs t a r t i n gp o i n tai s i nt h er a n g eo f2hft o3hf,t h ew e a k e n i n gd e p t hci si nt h er a n g eo f2tft o4tf,a n dt h es p
13、a c i n gb e t w e e ns t i f f e n e r i sa b o u t 0.7bf,i n d i c a t i n gt h a t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew e a k e n e dm o d e l a n dt h eB a s em o d e l i sn o t s i g n i f i c a n t.T h ep r o p o s e dd o g-b o n er e d u c e dd e s i g na
14、n dt h el i n ks p a c i n go ft h es t i f f e n e r sc a nl e a dt ob e n d i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o n i na l a r g e ra r e ao f t h e l i n k,s ot h a t t h ee n e r g y-d i s s i p a t i n gc a p a c i t yo f l i n ki s i m p r o v e d,w h i c hh a ss o m er e f e r e n c ev a l u
15、e f o r f u r t h e r s t u d yo f f l e x u r a l e c c e n t r i c a l l yb r a c e ds t e e l f r a m e i ns e i s m i cp e r f o r m a n c e.K e y w o r d s:s t r u c t u r ed e s i g n;e c c e n t r i c a l l yb r a c e ds t e e l s t r u c t u r e;f l e x u r a l l i n k s;d o g-b o n er e d u
16、 c e d;s e i s m i cp e r f o r m a n c e 在地震作用下偏心支撑钢框架主要通过耗能梁段发生剪切塑性变形(剪切型偏心支撑结构)1-5或弯曲塑性变形(弯曲型偏心支撑结构)6-1 0来耗散能量,从而保护框架梁、柱、支撑等非耗能构件,是一种较好的抗震结构体系1 1-1 4。根据耗能梁段的受力机理可知,当其发生剪切塑性变形时,塑性铰会均匀分布在腹板上;而当发生弯曲塑性变形时,塑性铰主要分布在耗能梁端部的上下翼缘局部区域,耗能能力略差1 5-1 8。因此,弯曲型偏心支撑结构在工程中的应用较少,但耗能梁长度较长有利于结构空间布局,故对弯曲型偏心支撑结构的抗震性能开展研
17、究是十分有必要的。目前,国内外学者对骨式削弱的研究主要集中在梁柱连接区域,对于弯曲型耗能梁则未见报道。为改善弯曲型偏心支撑结构的抗震性能,提高其材料利用率,本文提出一种带骨式削弱的弯曲型偏心支撑结构,即对耗能梁上下翼缘受力较小的区域进行圆弧形骨式削弱,以使其受力大小与所需翼缘截面面积尽量相匹配。为验证带骨式削弱的弯曲型耗能梁偏心支撑结构的性能优劣,本文拟采用A B AQU S软件建立相应的有限元模型并对其进行单调和循环加载,研究不同的削弱面积对结构荷载位移曲线、承载力、刚度及耗能能力的影响。在此基础上,分析耗能梁区域加劲肋的布置对结构抗震性能的影响,给出带骨式削弱弯曲型耗能梁偏心支撑结构的设计
18、建议。1 有限元方法验证图1 几何尺寸图F i g.1 G e o m e t r i cd i m e n s i o nd i a g r a m为验证有限元方法的合理性及分析结果的正确性,本文采用A B AQU S有限元软件对某弯曲型偏心支撑结构的拟静力试验进行模拟验证。试验模型高度15 0 0mm,跨度30 0 0mm,构件之间均采用全熔透焊缝连接,使用Q 2 3 5 B级钢材,框架底部通过螺栓与地梁连接,试验时在侧面设置侧向支撑以防止结构出现面外变形,试验详细信息见文献1 9。数值模型几何尺寸见图1,各构件截面尺寸见表1。加载制度与试验一致,采用V o nM i s e s多线性随动
19、强化的三折线模型,考虑B a u s c h i n g e r效应,力学性能见表2。采用壳单元S 4 R建立有限元模型,各构件之间采用t i e约束。单元网格与边界约束条表1 构件截面尺寸T a b.1 S e c t i o n a l d i m e n s i o n so f c o m p o n e n t s构件截面尺寸构件截面尺寸梁H 2 0 0mm1 3 0mm6mm8mm支撑H 8 0mm8 0mm6mm6mm柱H 2 0 0mm1 3 0mm6mm8mm耗能梁H 2 0 0mm1 3 0mm6mm8mm782河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年加载点耦合网格细
20、化施加面外约束加载点耦合Ux=0zyxR P6R P5R P3R P1R P4R P2图2 有限元模型F i g.2 F i n i t ee l e m e n tm o d e l表2 Q 2 3 5 B级钢材材性试验结果T a b.2 M a t e r i a l t e s t r e s u l t so fQ 2 3 5 B板厚/mmfy/MP afu/MP ay1 0-3E/MP a63 0 84 2 61.5 42 01 0 0 02 1.782 7 04 3 31.3 82 0 30 0 01 9.8件见图2。柱脚自由度全部约束以模拟刚接,通过令Ux=0来模拟耗能梁段的面外
21、约束。另外,在支撑跨中施加l/5 0 0的面外变形(l为支撑长度)来模拟支撑可能的面外缺陷,通过在加载点(加载点耦合)同时施加荷载/位移来模拟试验加载方式。表3 有限元计算结果与试验值对比T a b.3 C o m p a r i s o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s类型Py/k NPm/k N试验3 3 74 5 9模拟3 1 14 2 8表3及图3为部分有限元与试验结果的对比。试验的承载力及刚度要略大于有限元,两者相差在7%以内
22、;由于有限元分析时未能充分考虑材料硬化现象且试验模型中各种阻尼作用的存在,比如滚轴与框架之间的摩擦等因素存在,使得数值模拟得出的滞回曲线与试验相比要略微饱满,但总体吻合程度较好;试验及数值模拟的耗能梁段变形(端部上下翼缘局部屈曲)及结构整体变形基本一致。综上,可采用数值方法开展偏心支撑钢框架结构的抗震性能研究。图3 有限元结果可靠性验证F i g.3 R e l i a b i l i t yv e r i f i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n t r e s u l t s2 参数化分析2.1 有限元模型建立图4为骨式削弱的耗能梁示意图。图中a为
23、削弱起点(即开始削弱的位置)到耗能梁端部之间的距离,b为削弱长度(即2个削弱起点之间的距离),c为削弱深度(即圆弧上最高点到耗能梁翼缘外边缘的垂直距离),e为耗能梁长度,R为削弱半径,其中b=e-2a,R=4c2+(e-2a)2/8c。当耗能梁长度e一定时,骨式削弱只需确定a和c即可。基于试验模型(见图1,未削弱模型,命名为B a s e模型),本文分析了参数a和c882第3期于海丰,等:带骨式削弱弯曲型耗能梁K形偏心支撑框架抗震性能研究的变化对结构抗震性能的影响。具体参数见表4。Rbca骨式削弱耗能梁e框架梁图4 骨式削弱耗能梁F i g.4 D o g-b o n er e d u c e
24、 dl i n k基于有限元法建立数 值模型,建 模细节与第 一节相同。循环加载时采用位移控制法,初始位移值和每个加载级 的 增 量 均 为8 mm,且 每 个 加 载 级 别 循 环2周。大量试算表明,有限元分析的承载力在加载后期未出现明显下降,故 当位移加至6 4 mm时(层间 位移角1/2 3)停止分析;单调加载时,加载至1 5 0mm(层间位移角1/1 0)时停止分析。表4 模型参数及编号T a b.4 M o d e l p a r a m e t e r sa n dn u m b e r s削弱起点模型a/mmc/mm削弱深度模型a/mmc/mm02tf(1 6)bf(1 3 0
25、)3tf(2 4)Ma-i2bf(2 6 0)3tf(2 4)Mc-j2bf(2 6 0)3 2(4tf)3bf(3 9 0)5tf(4 0)4bf(5 2 0)6tf(4 8)注:bf为耗能梁翼缘宽度;tf为耗能梁翼缘厚度。2.2 削弱起点a的影响2.2.1 荷载位移曲线与耗能分析图5给出了单调及循环加载下各模型的荷载位移曲线。单调加载时,加载位移不大于8mm时各模型的荷载位移曲线基本为直线且几乎重合。随着进一步加载,当耗能梁段进入塑性,荷载位移曲线出现明显转折,Ma-2bf,Ma-3bf,Ma-4bf模型的荷载位移曲线与B a s e模型的基本重合,略高于Ma-bf和Ma-0模型,Ma-0
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