MYD的屈服點(diǎn)之“困”


       金屬屈服型阻尼器(Metal Yield Dampers, MYD)已成為減震技術(shù)中一種重要的減震裝置,其通過(guò)金屬核心元件的塑性變形進(jìn)行耗能。金屬屈服型阻尼器的阻尼力和位移的變形關(guān)系可采用雙線(xiàn)性骨架曲線(xiàn)進(jìn)行描述,如圖 1所示。屈服點(diǎn)作為決定MYD骨架曲線(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),其不同的取值方法將直接影響阻尼器產(chǎn)品的力學(xué)性能以及其在工程中的耗能效果?!督ㄖ茏枘崞鳌稪GT 209要求同時(shí)控制屈服承載力、屈服位移和彈性剛度三個(gè)指標的實(shí)測值與設計值的偏差在15%以?xún)?,如圖 1中的紅色六邊形區域?,F行規范要求的三指標控制為較為嚴格取值范圍,如果采用兩指標控制屈服點(diǎn)的取值范圍,則會(huì )進(jìn)一步放大紅色區域。取方案一為采用屈服承載力和屈服位移兩指標控制的ABDE矩形區域,方案二為采用屈服承載力和彈性剛度控制的四邊形區域,如圖 1所示。保持骨架曲線(xiàn)的設計位移和設計承載力不變,屈服點(diǎn)坐標分別取方案一中A、B、D、E四個(gè)角點(diǎn)和方案二中C、F兩個(gè)角點(diǎn),繪制對應的骨架曲線(xiàn)。然后通過(guò)具體算例評估屈服點(diǎn)的不同控制方案對框架結構減震效果的影響。


1  雙線(xiàn)性力學(xué)模型

算例分析
       以某教學(xué)樓為例,其建筑面積為3962.22m2,建筑高度為16.65m,建筑長(cháng)度52.20m,建筑寬度16.6m,分別在框架結構兩端設置金屬屈服型阻尼器,如圖 2所示,標準P點(diǎn)選用的阻尼器參數見(jiàn)表 1。以P點(diǎn)為屈服點(diǎn)的骨架曲線(xiàn)的減震結構,簡(jiǎn)稱(chēng)ED-P;以A點(diǎn)為屈服點(diǎn)的骨架曲線(xiàn)的減震結構,簡(jiǎn)稱(chēng)ED-A;依次類(lèi)推對采用不同骨架曲線(xiàn)的減震結構進(jìn)行命名。


2  教學(xué)樓三維減震模型
1  金屬屈服型阻尼器主要力學(xué)參數表

       設置金屬屈服型阻尼器減震結構的一、二階振型是以X和Y向平動(dòng)為主,三階振型以扭轉為主。對應的前三階周期見(jiàn)表 2,從表中數據可以看出,對框架結構設置金屬屈服型阻尼器后,結構的前兩階分別降低了27%和26%,第三階周期降低了41%。對比不同屈服點(diǎn)的結果可以看出,B點(diǎn)和E點(diǎn)具有與P點(diǎn)相同的彈性剛度,其減震結構的周期相同;A點(diǎn)和D點(diǎn)的彈性剛度與標準P點(diǎn)的彈性剛度相差最大,其對應的周期差別也最大,分別為6.84%和7.59%;C點(diǎn)和F點(diǎn)與P點(diǎn)所對應的彈性剛度相差相對較小,對應的周期的最大偏差分別為4.25%和3.09%。以上數據表明,選用骨架曲線(xiàn)彈性剛度的變化決定了各減震結構周期變化。

2  結構前三階周期表

       該建筑的抗震設防標準為8度(0.30g),考慮1.25倍的近場(chǎng)效應放大系數,設計地震分組為第二組,場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)場(chǎng)地,場(chǎng)地土特征周期為0.55s;抗震設防類(lèi)別為重點(diǎn)設防類(lèi)(乙類(lèi))。根據《抗規》中5.1.2條規定,本工程選用5條天然波和2條人工波進(jìn)行時(shí)程分析,取七條波的平均值作為最終的計算結果。本研究重點(diǎn)在金屬屈服型阻尼器屈服點(diǎn)的不同選取方案對結構減震效果(層間剪力、層間位移、附加阻尼比等主要指標)的影響,故在中、大震分析時(shí)未考慮結構塑性變形。
結果分析:
       取減震模型和非減震模型在中震和大震激勵下的層間剪力、層間位移角和附加阻尼比作為評判阻尼器減震效果的指標。
1、層間剪力
       各減震結構在中震和大震下的層間剪力減震系數及其與標準減震模型ED-P的偏差見(jiàn)表 3。從表中數據可知,ED-A和ED-D相對于標準模型ED-P的減震系數的偏差最大,分別為4.52%和5.36%;ED-B和ED-E相對于ED-P的層間剪力減震系數的偏差較小,均在3%以?xún)?;ED-C和ED-F相對于ED-P的層間剪力減震系數的偏差最小,均在2%以?xún)?。圖 3和圖 4給出了中震下不同減震模型和非減震模型的層間剪力。從圖中可以看出,在結構上設置的阻尼器可降低結構的層間剪力。



3  中震下X向層間剪力
 


4  中震下Y向層間剪力

2、層間位移角
       表 4給出了各模型在中震和大震激勵下的最大層間位移角及其與標準減震模型ED-P的偏差。從表中數據可以看出,ED-A和ED-D與ED-P的偏差最大,分別為6.67%和8.05%;ED-B和ED-E與ED-P的偏差相對較小,均在4%以?xún)?;EC-E和ED-F與ED-P的偏差最小,均在3%以?xún)?。圖 5和圖 6給出了大震下各模型在X向和Y向的層間位移角。從圖中可以看出,通過(guò)設置金屬屈服型阻尼器有效降低了結構的層間位移角。

4  減震結構最大層間位移角及其偏差


5  大震下X向層間位移角

6  大震下Y向層間位移角

3、附加阻尼比
       采用累積能量比法計算金屬屈服型阻尼器對減震結構的附加阻尼比,各減震模型的有效附加阻尼比及其與標準減震模型ED-P的偏差見(jiàn)表 5。從表中數據可以看出,ED-A和ED-D與標準減震模型ED-P的附加阻尼比的偏差最大,分別為15.70%和16.31%;ED-B和ED-E與標準減震模型ED-P的偏差較小,分別為9.88%和11.66%;ED-C和ED-F與標準減震模型ED-P的偏差最小,基本在10%以?xún)取?/p>

結論
1、設置阻尼器明顯降低了結構的自振周期,周期的變化與阻尼器的布置形式和阻尼器的彈性剛度有關(guān)。其中,方案一與標準減震模型的偏差較大,在6%~8%之間;方案二偏差較小,在5%以?xún)取?br />2、通過(guò)設置金屬屈服型阻尼器可降低框架結構的層間剪力和層間位移角。阻尼器屈服點(diǎn)不同取值方案對應的減震模型與標準減震模型ED-P的層間剪力減震系數和層間位移角的偏差均在10%以?xún)?。其中,方案一中的ED-A和ED-D與ED-P的偏差較大,其最大偏差介于4%-8%之間;方案二中的ED-C、ED-F和ED-B、ED-E與標準減震模型ED-P的偏差較小,基本在4%以?xún)取?br />3、基于累積能量比法得到了各減震模型的附加阻尼比,結果表明,方案一中的ED-A和ED-D與ED-P的偏差較大,均為16%;而方案二中ED-B、ED-E和ED-C、ED-F相對于ED-P的偏差較小,基本在12%以?xún)取?br />綜上所述,對于在中、大震中主要起耗能作用的金屬屈服型阻尼器,其屈服點(diǎn)選用由彈性剛度和屈服承載力控制的四邊形區域(方案二)較由服承載力和屈服位移控制的矩形區域(方案一)具有更小的偏差。