不同軸力作用下串聯(lián)隔震體系塑性變形能力研究

不同軸力作用下串聯(lián)隔震體系塑性變形能力研究

1疊層橡膠合成橡膠支撐性能理論研究近年來，隨著地震的頻繁發(fā)生，地震隔離技術(shù)已被廣泛用作有效和經(jīng)濟(jì)的抗洪措施。隔震結(jié)構(gòu)中將橡膠支座設(shè)置于地下室鋼筋混凝土柱的頂部,這種由一端固定柱與疊層鋼板橡膠支座組成的串聯(lián)系統(tǒng)稱為隔震串聯(lián)體系。國外對于疊層橡膠隔支座穩(wěn)定性的研究相對較早,研究工作主要圍繞疊層橡膠支座本身的性能展開。Haringx于40年代建立了隔震裝置在小變形狀態(tài)下的基本模型。在此基礎(chǔ)上,Koh和Kelly提出了一種線性形式的非線性模型,探討了橡膠支座軸向載荷對水平剛度的影響。Stanton和Roeder等人對疊層橡膠隔震支座的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析,并考慮了支座軸向壓縮變形對穩(wěn)定性的影響。Iizuka將Koh-Kelly模型的線性彈簧置換為一種有限變形和非線性彈簧,建立了一種宏觀力學(xué)模型,預(yù)測橡膠支座的大變形力學(xué)行為,并作了試驗(yàn)對比。在國內(nèi),文獻(xiàn)給出了一端固定一端可沿水平方向自由滑動(dòng)的疊層鋼板橡膠支座的水平剛度和臨界力計(jì)算公式。周錫元等最早對疊層橡膠隔震支座的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析,用等效均質(zhì)柱模型對比了臨界荷載及水平剛度的不同公式,并基于Haringx和Gent的近似理論,給出了串聯(lián)系統(tǒng)中橡膠支座和RC柱各自的水平剛度與臨界力計(jì)算公式,以及整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)的水平剛度計(jì)算公式。李慧等探討了疊層橡膠支座與柱串聯(lián)體系動(dòng)力失穩(wěn)特性,對疊層橡膠支座與地下室柱串聯(lián)體系動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。杜永峰等人對于疊層橡膠支座與RC柱串聯(lián)隔震體系的隨機(jī)屈曲進(jìn)行了探討,對串聯(lián)體系的屈曲特性進(jìn)行了定量分析,分別建立了分析串聯(lián)隔震體系頻率成份和最大層間剪力、最大隔震層位移隨機(jī)響應(yīng)的非線性滯變模型,分析了單柱串聯(lián)體系的屈曲荷載及兩種失效準(zhǔn)則,提出了體現(xiàn)II型失穩(wěn)特性主要影響因素的屈曲臨界荷載均值表達(dá)式,并探討性地分析了雙向水平地震作用下串聯(lián)隔震體系的振動(dòng)控制問題。然而對于串聯(lián)隔震體系的塑性變形問題研究較少,需要做進(jìn)一步的分析研究。本文主要針對疊層橡膠支座-鋼筋砼柱串聯(lián)體系在彎矩、剪力、軸力作用下考慮彎剪二階效應(yīng)時(shí)串聯(lián)體系塑性變形能力問題,推導(dǎo)了串聯(lián)體系彎剪二階效應(yīng)變形關(guān)系,并通過ANSYS分析模擬,對比結(jié)果得出軸力和變形之間的關(guān)系。2考慮二階效應(yīng)的變形方程地震作用下,串聯(lián)隔震體系受豎向軸力和水平剪力作用,體系如圖1,圖2所示。串聯(lián)隔震體系總的變形為Y=YM+YQ,其中YM表示串聯(lián)隔震體系的彎曲變形,YQ表示串聯(lián)隔震體系的剪切變形。分析時(shí)假定下端固定,上端沿三個(gè)線位移方向可以滑動(dòng)但不能轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖1)。不考慮偶然偏心,但考慮彎曲和剪切變形的二階效應(yīng)。彎矩作用時(shí),考慮二階效應(yīng)的變形方程:方程(1)的解:令剪力作用下產(chǎn)生的變形為:考慮豎向軸力作用的二階效應(yīng),將其等效成水平剪力產(chǎn)生的變形:總的剪切變形:考慮二階效應(yīng)的剪切變形方程:由邊界條件:X=0,YQ=0,得到C3=0串聯(lián)隔震體系總的變形方程:由邊界條件:得:考慮二階效應(yīng)串聯(lián)隔震體系總的變形方程變?yōu)?其中由內(nèi)力和變形之間的關(guān)系,可以得到串聯(lián)隔震體系的剪力和彎矩關(guān)于X變化的方程式:根據(jù)所得串聯(lián)體系考慮二階效應(yīng)的變形方程,可知在構(gòu)件一定的情況下,軸力對于構(gòu)件內(nèi)力和變形都有影響。通過ANSYS模擬的結(jié)果進(jìn)行比較分析,進(jìn)而驗(yàn)證結(jié)論的正確性。3有限模擬3.1鋼板和橡膠的本構(gòu)關(guān)系串聯(lián)隔震體系是由疊層橡膠支座和鋼筋混凝土柱串聯(lián)而成,是二者共同作用的體系。由于疊層橡膠支座具有大變形的特性,橡膠材料是超彈性材料,研究其力學(xué)行為必須考慮幾何非線性和材料非線性的影響;低碳鋼材是很好的彈塑性材料;混凝土具有良好的抗壓性能,但其抗拉性能是抗壓性能的十分之一?？紤]到這些特點(diǎn),建立模型時(shí)鋼板采用SOLID45單元,采用雙線性模型,彈性模量200GPa,泊松比為0.3,屈服時(shí)彈性模量為20GPa,屈服強(qiáng)度為315MPa;橡膠采用SOLID185單元,橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系可由橡膠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如單軸拉壓試驗(yàn)、雙軸拉壓試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù))并通過Mooney-Rivlin常數(shù)定義材料應(yīng)變能密度而加以擬合確定(橡膠硬度為邵氏50度,采用二常數(shù)MooneyRivlin模型,其中2個(gè)常數(shù)分別為:C1=0.49MPa,C2=0.245MPa);混凝土采用SOLID65單元,C30混凝土整體式配筋,配筋率2.5%。該模型不但可以模擬混凝土材料特有的開裂、壓碎等力學(xué)現(xiàn)象,而且預(yù)先定義好了混凝土的破壞準(zhǔn)則。具體參數(shù)設(shè)置如下:混凝土的開口裂縫剪應(yīng)力場地系數(shù)0.45、閉合裂縫剪應(yīng)力傳遞系數(shù)0.9、軸心抗拉強(qiáng)度3以及軸心抗壓強(qiáng)度-1(在計(jì)算過程中不考慮混凝土的受擠壓破壞)。構(gòu)件基本模型如圖3所示。3.2anasis評(píng)分根據(jù)以上建模方法建立不同的幾何模型,串聯(lián)體系模型的基本數(shù)據(jù)如表1所示。在上述模型上進(jìn)行兩方面的模擬:(1)M300橡膠支座的二階效應(yīng)分析中,荷載工況取軸力為17MPa,大于丙類建筑15MPa的要求,對M300橡膠支座進(jìn)行ANSYS分析。(2)軸向荷載對串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)的影響,即分析其它條件相同的情況下,不同的軸向荷載作用對于串聯(lián)體系變形能力的影響。壓力分別取0、3、6、8、10、12、15、17(單位為MPa),作用在M300-1模型頂部,用ANSYS對這8種情況進(jìn)行模擬,并對結(jié)果進(jìn)行分析。3.3結(jié)果分析3.3.1豎向應(yīng)力分布對17MPa軸向荷載作用下的單個(gè)橡膠支座進(jìn)行ANSYS分析,由計(jì)算分析輸出最后的等效應(yīng)力圖、豎向應(yīng)力圖和豎向變形圖,分別見圖4、圖5和圖6所示。由圖4可知,疊層橡膠支座的等效應(yīng)力主要集中在支座左上角和右下角,根據(jù)vonmiss準(zhǔn)則這兩處應(yīng)先屈服,而右上角和左下角處等效應(yīng)力最小,應(yīng)力分布成對稱形式。圖5所示的豎向應(yīng)力分布情況表明:豎向荷載主要由上下面重疊部位即等效承壓面承擔(dān),支座左上角和右下角處軸向應(yīng)力較大,圖中支座左上角下2層位置和右下角向上2層位置處出現(xiàn)豎向的拉應(yīng)力,而支座的左下角和右上角出現(xiàn)豎向的拉應(yīng)力。從圖6所示的豎向變形變化云圖可以看出,以有效承壓面對角線為分界線,上表面及右上角的豎直向向下變形較大,而下表面和左下角部分變形較小,這表明上下表面沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)分析結(jié)果提出固端彎矩,固端彎矩變化如圖7所示,圖7中曲線變化表現(xiàn)出非常明顯的二階效應(yīng),同時(shí)說明考慮二階效應(yīng)的理論值和數(shù)值模擬值較為接近,在計(jì)算過程中應(yīng)加以考慮。3.3.2軸—軸向荷載對串聯(lián)體系的影響圖8~10分別為0MPa、8MPa和17MPa軸向荷載作用下串聯(lián)體系屈服時(shí)的等效應(yīng)力云圖和變形圖,8種情況數(shù)值模擬后荷載與變形的規(guī)律如11所示,結(jié)果分析說明:(1)軸向荷載作用下疊層橡膠支座的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在左上角和右下角,應(yīng)力大小不對稱,最大值出現(xiàn)在橡膠支座的左上角,而右下角應(yīng)力相對較小。(2)串聯(lián)體系的變形主要集中在橡膠支座上,而鋼筋混凝土柱變形很小。(3)8種工況作用下荷載與變形的規(guī)律如圖11所示,變形隨著軸向荷載的增加逐漸的下降,且變形能力逐漸降低。(4)17MPa下單個(gè)疊層橡膠支座以及串聯(lián)體系A(chǔ)NSYS分析結(jié)果表明,在相同的軸力作用下單個(gè)橡膠支座變形達(dá)到200mm時(shí)構(gòu)件局部進(jìn)入屈服,而串聯(lián)體系達(dá)到54mm時(shí)局部進(jìn)入屈服,顯然單個(gè)支座的變形能力比串聯(lián)體系的變形能力更強(qiáng)。(5)單個(gè)疊層橡膠支座和串聯(lián)體系相同屈服的部位在支座的左上角,單個(gè)橡膠支座右下角先于串聯(lián)柱頂進(jìn)入屈服階段。4單個(gè)支護(hù)和串聯(lián)體系的應(yīng)力效應(yīng)分析本文通過對疊層橡膠支座-鋼筋砼柱串聯(lián)隔震體系在彎矩、剪力、軸力作用下考慮彎剪二階效應(yīng)時(shí)串聯(lián)體系變形能力問題的探討,推導(dǎo)了串聯(lián)體系彎剪二階效應(yīng)變形方程,說明二階效應(yīng)對于單個(gè)支座和串聯(lián)體系的變形有較大影響。并應(yīng)用ANSYS軟件對不同軸力值作用下的串聯(lián)體系進(jìn)行了模擬,通過分析得出以下結(jié)論:(1)二階效應(yīng)對