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，地震隔離技術已被廣泛用作有效和經(jīng)濟的抗洪措施。隔震結構中將橡膠支座設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)定性進行了試驗研究和數(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模型,預測橡膠支座的大變形力學行為,并作了試驗對比。在國內,文獻給出了一端固定一端可沿水平方向自由滑動的疊層鋼板橡膠支座的水平剛度和臨界力計算公式。周錫元等最早對疊層橡膠隔震支座的穩(wěn)定性進行了理論分析,用等效均質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算公式,以及整個串聯(lián)系統(tǒng)的水平剛度計算公式。李慧等探討了疊層橡膠支座與柱串聯(lián)體系動力失穩(wěn)特性,對疊層橡膠支座與地下室柱串聯(lián)體系動力穩(wěn)定性進行了研究。杜永峰等人對于疊層橡膠支座與RC柱串聯(lián)隔震體系的隨機屈曲進行了探討,對串聯(lián)體系的屈曲特性進行了定量分析,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響應的非線性滯變模型,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時串聯(lián)體系塑性變形能力問題,推導了串聯(lián)體系彎剪二階效應變形關系,并通過ANSYS分析模擬,對比結果得出軸力和變形之間的關系。2考慮二階效應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。分析時假定下端固定,上端沿三個線位移方向可以滑動但不能轉動(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。彎矩作用時,考慮二階效應的變形方程:方程(1)的解:令剪力作用下產生的變形為:考慮豎向軸力作用的二階效應,將其等效成水平剪力產生的變形:總的剪切變形:考慮二階效應的剪切變形方程: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:考慮二階效應串聯(lián)隔震體系總的變形方程變?yōu)?其中由內力和變形之間的關系,可以得到串聯(lián)隔震體系的剪力和彎矩關于X變化的方程式:根據(jù)所得串聯(lián)體系考慮二階效應的變形方程,可知在構件一定的情況下,軸力對于構件內力和變形都有影響。通過ANSYS模擬的結果進行比較分析,進而驗證結論的正確性。3有限模擬3.1鋼板和橡膠的本構關系串聯(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,建立模型時鋼板采用SOLID45單元,采用雙線性模型,彈性模量200GPa,泊松比為0.3,屈服時彈性模量為20GPa,屈服強度為315MPa;橡膠采用SOLID185單元,橡膠的應力-應變本構關系可由橡膠的試驗數(shù)據(jù)(如單軸拉壓試驗、雙軸拉壓試驗和剪切試驗數(shù)據(jù))并通過Mooney-Rivlin常數(shù)定義材料應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、壓碎等力學現(xiàn)象,而且預先定義好了混凝土的破壞準則。具體參數(shù)設置如下:混凝土的開口裂縫剪應力場地系數(shù)0.45、閉合裂縫剪應力傳遞系數(shù)0.9、軸心抗拉強度3以及軸心抗壓強度-1(在計算過程中不考慮混凝土的受擠壓破壞)。構件基本模型如圖3所示。3.2anasis評分根據(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。在上述模型上進行兩方面的模擬:(1)M300橡膠支座的二階效應分析中,荷載工況取軸力為17MPa,大于丙類建筑15MPa的要求,對M300橡膠支座進行ANSYS分析。(2)軸向荷載對串聯(lián)隔震結構的影響,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種情況進行模擬,并對結果進行分析。3.3結果分析3.3.1豎向應力分布對17MPa軸向荷載作用下的單個橡膠支座進行ANSYS分析,由計算分析輸出最后的等效應力圖、豎向應力圖和豎向變形圖,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力主要集中在支座左上角和右下角,根據(jù)vonmiss準則這兩處應先屈服,而右上角和左下角處等效應力最小,應力分布成對稱形式。圖5所示的豎向應力分布情況表明:豎向荷載主要由上下面重疊部位即等效承壓面承擔,支座左上角和右下角處軸向應力較大,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)豎向的拉應力,而支座的左下角和右上角出現(xiàn)豎向的拉應力。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)轉動。根據(jù)分析結果提出固端彎矩,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,同時說明考慮二階效應的理論值和數(shù)值模擬值較為接近,在計算過程中應加以考慮。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)體系屈服時的等效應力云圖和變形圖,8種情況數(shù)值模擬后荷載與變形的規(guī)律如11所示,結果分析說明:(1)軸向荷載作用下疊層橡膠支座的應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在左上角和右下角,應力大小不對稱,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下單個疊層橡膠支座以及串聯(lián)體系ANSYS分析結果表明,在相同的軸力作用下單個橡膠支座變形達到200mm時構件局部進入屈服,而串聯(lián)體系達到54mm時局部進入屈服,顯然單個支座的變形能力比串聯(lián)體系的變形能力更強。(5)單個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,單個橡膠支座右下角先于串聯(lián)柱頂進入屈服階段。4單個支護和串聯(lián)體系的應力效應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時串聯(lián)體系變形能力問題的探討,推導了串聯(lián)體系彎剪二階效應變形方程,說明二階效應對于單個支座和串聯(lián)體系的變形有較大影響。并應用ANSYS軟件對不同軸力值作用下的串聯(lián)體系進行了模擬,通過分析得出以下結論:(1)二階效應對