CN106592805B - 一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法 - Google Patents

一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法，该阻尼器包括阻尼器本体和限位槽，所述阻尼器本体和限位槽分别与主梁或桥墩固定连接，所述限位槽包括底板和固定于所述底板两侧并与所述底板相互垂直的挡块，所述阻尼器本体设置于所述底板和所述挡块围成的区域内，且不与所述底板和所述挡块相接触。本发明一方面可以避免直接安装剪切软钢阻尼器时产生对大跨桥梁不利的结构内力，另一方面可以利用剪切软钢阻尼器对大跨桥梁进行减震控制，另外，本发明还具有构造简单，加工方便，耗能效果优的特点。

Description

一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法
技术领域
本发明涉及建筑结构减震领域，特别涉及一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法。
背景技术
剪切软钢阻尼器是一种有效的被动减震控制措施，通过在结构的适当位置安装耗能减震装置，以减小结构的地震响应。剪切软钢阻尼器因具有良好的耗能效果和稳定的滞回特性，目前已广泛应用于高层建筑结构减震领域。常规的剪切软钢阻尼器一般利用层间相对位移驱动软钢发生剪切变形实现耗能。
具体地，剪切软钢阻尼器在高层建筑中的基本布置如图1所示，上、下座板1、2分别固定于需要减震的两层建筑上，上、下座板1、2之间安装有软钢面板及肋板3，如图2所示，当地震中出现层间位移Δ后，软钢发生剪切变形耗能。但如果直接将剪切软钢阻尼器按上述方式安装于桥梁的墩梁或塔梁间进行减震，可能会导致结构产生巨大的不利内力。原因在于：(1)建筑结构在温度作用下，层间相对位移变化基本可以忽略；(2)建筑结构地震中的层间位移较小，一般只有几毫米，因而地震中剪切软钢阻尼器需要在很小的剪切位移下发生屈服以耗能；(3)大跨桥梁结构在温度作用下，主梁纵向伸缩非常明显，一般有10mm～100mm或更大；(4)大跨桥梁在日常的温度伸缩、车辆行车等作用下，墩梁或塔梁间有正常的变位需求。显然，常规的剪切软钢阻尼器的屈服位移和极限位移无法满足大跨桥梁的纵向变位需求，并且极有可能在温度伸缩下就出现剪切软钢阻尼器的破坏。
对于长度L为500m的钢纵梁(截面积A＝0.9m2，弹性模量E＝2.06e8kPa)，假定温度变化ΔT为20℃，计算简图如图3所示，则无约束总伸长δhorizontal＝0.05m(按αΔTL计算)；假定直接在梁端布置软钢面板及肋板3(侧向刚度khorizontal＝2e5kN/m)，则由此导致的结构内力F为6496kN(按F＝0.5αΔT/[1/EA+1/(Lkhorizontal)]计算)，可见该内力相当可观，对桥梁结构不利。
发明内容
本发明提供一种滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种滑移剪切软钢阻尼器，包括阻尼器本体和限位槽，所述阻尼器本体和限位槽分别与主梁或桥墩固定连接，所述限位槽包括底板和固定于所述底板两侧并与所述底板相互垂直的挡块，所述阻尼器本体设置于所述底板和所述挡块围成的区域内，且不与所述底板和所述挡块相接触。
较佳地，所述阻尼器本体底部与所述底板之间预留的初始间隙为h，所述阻尼器本体的两侧壁与两侧所述挡块之间预留的初始间隙为ysilp。
较佳地，所述阻尼器本体包括上座板、翼缘以及剪切钢板，所述上座板与所述主梁或桥墩固定连接，所述剪切钢板固定于所述上座板下方，所述剪切钢板的四周固定有所述翼缘。
较佳地，相对设置的两个翼缘之间固定有第一加劲肋。
较佳地，所述底板和所述挡块之间固定有第二加劲肋。
较佳地，所述阻尼器本体和限位槽分别通过焊接或锚固与主梁或桥墩固定。
本发明还提供了一种如上所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，所述阻尼器本体和限位槽的滞回模型分别采用设置中间节点的两个串联非线性弹簧进行模拟。
较佳地，所述阻尼器本体等效为第一非线性弹簧单元，其控制参数包括：初始刚度k1、屈服位移yd、强化刚度k2；所述限位槽等效为带初始间隙的第二非线性弹簧单元，其控制参数包括初始间隙yslip和大刚度k∞。
与现有技术相比，本发明提供的滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法，该阻尼器包括阻尼器本体和限位槽，所述阻尼器本体和限位槽分别与主梁或桥墩固定连接，所述限位槽包括底板和固定于所述底板两侧并与所述底板相互垂直的挡块，所述阻尼器本体设置于所述底板和所述挡块围成的区域内，且不与所述底板和所述挡块相接触。本发明一方面可以避免直接安装剪切软钢阻尼器时产生对大跨桥梁不利的结构内力，另一方面可以利用剪切软钢阻尼器对大跨桥梁进行减震控制，另外，本发明还具有构造简单，加工方便，耗能效果优的特点。
附图说明
图1为现有的剪切软钢阻尼器的安装结构示意图；
图2为现有的剪切软钢阻尼器的耗能驱动示意图；
图3为现有的剪切软钢阻尼器应用于大跨桥梁纵向伸缩时的计算简化模型图；
图4为本发明一具体实施方式中滑移剪切软钢阻尼器的立体结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式中滑移剪切软钢阻尼器的主视图；
图6为本发明一具体实施方式中滑移剪切软钢阻尼器的俯视图；
图7为本发明一具体实施方式中本构模型的模拟图形；
图8为本发明一具体实施方式中阻尼器本体简化滞回模型；
图9为本发明一具体实施方式中限位槽简化滞回模型；
图10为本发明一具体实施方式中阻尼器本体与限位槽复合后的简化滞回模型；
图11为本发明一具体实施方式中本构模型的单自由度简化分析模型；
图12为本发明一具体实施方式中本构模型的位移加载时程；
图13为本发明一具体实施方式中阻尼器本体的滞回曲线；
图14为本发明一具体实施方式中限位槽的滞回曲线。
图1-3中：1-上座板、2-下座板、3-软钢面板及肋板；
图4-6中：10-阻尼器本体、11-上座板、12-翼缘、13-剪切钢板、14-第一加劲肋、20-限位槽、21-底板、22-挡块、23-第二加劲肋。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供的滑移剪切软钢阻尼器，如图4至图6所示，包括阻尼器本体10和限位槽20，所述阻尼器本体10和限位槽20分别与主梁(未图示)或桥墩(未图示)固定连接，请结合图2，所述限位槽20包括底板21和固定于所述底板21两侧并与所述底板21相互垂直的挡块22，所述阻尼器本体10设置于所述底板21和所述挡块22围成的区域内，且不与所述底板21和所述挡块22相接触。换句话说，所述阻尼器本体10设置于所述限位槽20的底板21的正上方，且在竖直方向及水平方向上均与所述限位槽20留有一定的间隙。主梁与桥墩在纵桥向发生相对变形时，当该相对变形未超过阻尼器本体10与限位槽20之间预留的初始间隙时，阻尼器本体10不变形；当上述相对变形超过阻尼器本体10与限位槽10间预留的初始间隙时，阻尼器本体10发生剪切变形，起到耗能作用。
较佳地，请重点参考图5，所述阻尼器本体10底部与所述底板21之间预留的初始间隙为h，所述阻尼器本体10的两侧壁与两侧所述挡块22之间预留的初始间隙为ysilp。阻尼器本体10与限位槽20的挡块22间预留的初始间隙可以避免大跨桥梁墩梁间温度伸缩等正常变位需求而不产生对结构不利的内力。具体地，大跨桥梁的温度伸缩或行车导致的常规变位需求可以通过初始间隙yslip予以消除，从而避免阻尼器本体10与限位槽20出现不必要的摩擦或咬合而导致滑移剪切软钢阻尼器破坏；地震过程中，当墩梁或塔梁相对位移超过预留间隙yslip后，阻尼器本体10发生剪切变形耗能，减小桥梁地震响应。
较佳地，请继续参考图5，所述阻尼器本体10包括上座板11、翼缘12以及剪切钢板13，所述上座板11与所述主梁或桥墩固定连接，所述剪切钢板13固定于所述上座板11下方，所述剪切钢板13的四周固定有所述翼缘12，较佳地，相对设置的两个翼缘12之间固定有第一加劲肋14。具体地，本实施例中，上座板11与主梁锚固或焊接，而限位槽20的底板21锚固或焊接在桥墩的墩顶上，当然，阻尼器本体10与限位槽20的上下位置可以倒置，即阻尼器本体10与墩顶锚固或焊接，限位槽20与主梁锚固或焊接，另外，所述阻尼器本体10与限位槽20的布置应位于需要的减震方向，如纵桥向或横桥向。
需要说明的是，本发明中的阻尼器本体10的具体结构可采用传统的剪切软钢阻尼器，使其能够应用于大跨桥梁的减震，并避免直接将剪切软钢阻尼器用于桥梁减震而引起的不利内力，有利于提高桥梁抗震性能。
较佳地，请继续参考图5，所述底板21和所述挡块22之间固定有第二加劲肋23，以增强挡块22与底板21的连接牢固度。
本发明还提供了一种如上所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，请重点参考图7，所述阻尼器本体10和限位槽20的滞回模型分别采用设置中间节点的两个串联非线性弹簧进行模拟，较佳地，所述阻尼器本体10等效为第一非线性弹簧单元，其控制参数包括：初始刚度k1、屈服位移yd、强化刚度k2，所述限位槽20等效为带初始间隙的第二非线性弹簧单元，其控制参数包括初始间隙yslip和大刚度k∞，具体地，节点i和节点k分别连接主梁和桥墩，节点j为中间连接节点。第一非线性弹簧单元的两个节点分别为k和j，节点i和节点j的水平位移差uk-uj可以驱动滑移剪切软钢阻尼器发生剪切变形耗能；第二非线性弹簧单元的两个节点分别为j和i，节点j与节点i的水平位移差uj-ui超过初始间隙yslip后，位移基本不再增加，起到挡块22的作用。两个非线性弹簧单元的简化滞回模型分别如图8和图9所示。
第一非线性弹簧单元和第二非线性弹簧单元两者复合后，可得到滑移剪切软钢阻尼器的简化滞回模型如图10所示，相应的基本加载流程为：
(1)限位槽20与阻尼器本体10固定端相对位移从零点o出发，经过限位槽20初始间隙yslip后至A点；→(2)阻尼器本体10与限位槽20右侧接触，阻尼器本体10开始出现剪切变形，沿初始刚度k1至屈服点B点，再以强化刚度k2至反向加载C点；→(3)以反向卸载初始刚度k1至D点，此时阻尼器本体10与限位槽20一侧脱开；经滑移2yslip至E点，阻尼器本体10与限位槽20另一侧接触并开始出现剪切变形至屈服点F点；→(4)经最大反向点G后，再次正向加载至H点，阻尼器本体10与限位槽20左侧脱开并滑移2yslip至I点；→(5)继续正向加载与限位槽20右侧接触后，以初始刚度k1加载至屈服J点，再进入强化阶段。
以Sdof系统为例，研究本发明滑移剪切软钢阻尼器的滞回特性。Sdof系统简化布局如图11所示，相应的基本控制参数取值如表1所示。采用位移加载，位移加载为两周变幅加载，位移加载时程如图12所示，系统基本参数如表1所示；由于限位槽20的简化模型在最大滑移限位yslip处出现刚度突变，因而在动力分析中需设定较小的动态步长以满足模型收敛要求，该算例中最小允许步长设定为1×10-5s。
表1 Sdof系统基本参数
控制参数 数值
k<sub>1</sub>/kN/m 3×10<sup>4</sup>
y<sub>d</sub>/m 0.1
k<sub>2</sub>/kN/m 600
y<sub>slip</sub>/m 0.1
k<sub>∞</sub>/kN/m 3×10<sup>8</sup>
m/t 100
阻尼器本体的滞回曲线如图13所示，与图10所给出的滞回环走向一致；限位槽20的滞回曲线如图14所示，限位槽20在±yslip处出现突变，对应为10与限位槽20接触。可见本发明中所采用的简化模拟可有效再现滑移剪切软钢阻尼器的滞回特性。
综上所述，本发明提供的滑移剪切软钢阻尼器及其本构模型的建模方法，该阻尼器包括阻尼器本体10和限位槽20，所述阻尼器本体10和限位槽20分别与主梁或桥墩固定连接，所述限位槽20包括底板21和固定于所述底板21两侧并与所述底板21相互垂直的挡块22，所述阻尼器本体10设置于所述底板21和所述挡块22围成的区域内，且不与所述底板21和所述挡块22相接触。本发明一方面可以避免直接安装剪切软钢阻尼器时产生对大跨桥梁不利的结构内力，另一方面可以利用剪切软钢阻尼器对大跨桥梁进行减震控制，另外，本发明还具有构造简单，加工方便，耗能效果优的特点。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，其特征在于，
所述滑移剪切软钢阻尼器包括阻尼器本体（10）和限位槽（20），所述阻尼器本体（10）和限位槽（20）分别与主梁或桥墩固定连接，所述限位槽（20）包括底板（21）和固定于所述底板（21）两侧并与所述底板（21）相互垂直的挡块（22），所述阻尼器本体（10）设置于所述底板（21）和所述挡块（22）围成的区域内，且不与所述底板（21）和所述挡块（22）相接触；主梁与桥墩在纵桥向发生相对变形时，当该相对变形未超过阻尼器本体与限位槽之间预留的初始间隙时，阻尼器本体不变形；当上述相对变形超过阻尼器本体与限位槽间预留的初始间隙时，阻尼器本体发生剪切变形，起到耗能作用；所述阻尼器本体（10）底部与所述底板（21）之间预留的初始间隙为h，所述阻尼器本体（10）的两侧壁与两侧所述挡块（22）之间预留的初始间隙为y silp；其中，初始间隙h、y silp用于消除大跨桥梁墩梁间温度伸缩或行车导致的常规变位需求；
所述阻尼器本体（10）和限位槽（20）的滞回模型分别采用设置中间节点的两个串联非线性弹簧进行模拟；
所述阻尼器本体（10）等效为第一非线性弹簧单元，其控制参数包括：初始刚度k 1、屈服位移y d、强化刚度k 2；所述限位槽（20）等效为带初始间隙的第二非线性弹簧单元，其控制参数包括初始间隙y slip和大刚度k ∞；
节点i和节点k分别连接主梁和桥墩，节点j为中间连接节点；第一非线性弹簧单元的两个节点分别为k和j，节点i和节点j的水平位移差u k-u j可以驱动滑移剪切软钢阻尼器发生剪切变形耗能；第二非线性弹簧单元的两个节点分别为j和i，节点j与节点i的水平位移差u j-u i超过初始间隙y slip后，位移基本不再增加；
第一非线性弹簧单元和第二非线性弹簧单元两者复合后，可得到滑移剪切软钢阻尼器的简化滞回模型，原点为O，u轴为水平方向位移，f轴为竖直方向位移；相应的基本加载流程为：
（1）限位槽与阻尼器本体固定端相对位移从零点O出发，经过限位槽初始间隙y slip后至A点；其中A点坐标为（y slip，0）；
（2）阻尼器本体与限位槽右侧接触，阻尼器本体开始出现剪切变形，沿初始刚度k1至屈服点B点，再以强化刚度k2至反向加载C点；其中，B、C均未第一象限坐标点，坐标分别为（uB，fB）、（uC，fC），且uB＜uC,fB＜fC；
（3）以反向卸载初始刚度k1至D点，此时阻尼器本体与限位槽一侧脱开；经滑移2y slip至E点，阻尼器本体与限位槽另一侧接触并开始出现剪切变形至屈服点F点；其中，D点坐标为（uD，0），E点坐标为（uE，0），F点坐标为（uF，fF），uE＞0，uD=uE+2y slip，0＜uF＜uE，fF＜0；
（4）经最大反向点G后，再次正向加载至H点，阻尼器本体与限位槽左侧脱开并滑移2y slip；其中，G点坐标为（uG，fG），H点坐标为（uH，0），uG＜uH＜0，fG＜fF；
（5）继续正向加载与限位槽右侧接触后，以初始刚度k1加载至屈服点，再进入强化阶段。
2.如权利要求1所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，其特征在于，所述阻尼器本体（10）包括上座板（11）、翼缘（12）以及剪切钢板（13），所述上座板（11）与所述主梁或桥墩固定连接，所述剪切钢板（13）固定于所述上座板（11）下方，所述剪切钢板（13）的四周固定有所述翼缘（12）。
3.如权利要求2所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，其特征在于，相对设置的两个翼缘（12）之间固定有第一加劲肋（14）。
4.如权利要求3所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，其特征在于，所述底板（21）和所述挡块（22）之间固定有第二加劲肋（23）。
5.如权利要求1所述的滑移剪切软钢阻尼器的本构模型的建模方法，其特征在于，所述阻尼器本体（10）和限位槽（20）分别通过焊接或锚固与主梁或桥墩固定。
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