木質框架模型雙向地震仿真分析

一、模型設計

    根據結構在地震作用下要求強柱弱梁，且具有較強的耗能能力等原則，此框架結構采用4根較大截面L型柱作為主要豎向構件，底層退縮部分框架柱采用較小截面木條，梁為較小截面的矩形木條。模型高度700mm，1層凈高15cm，其余層高均為11cm，共六層，高寬比4.67。模型4層及以上所有樓層進行縮進，即模型4樓及以上所有樓層地板面積為3樓地板面積的75%。為提高結構在動荷載作用下的耗能能力及穩定性，在結構3、5層設摩擦阻尼器F，如圖6(a)所示，2、4、6層設交叉棉繩拉索CP,如圖9所示。因為題目對房屋門窗等開口空間求，無法實現阻尼器和拉索的對稱布置。圖3為1~2層框架柱截面尺寸及平面布置圖，3層及以上樓層僅有L型截面柱四根。框架梁全部采用5.5mm×4mm的矩形截面。

三、材料及阻尼器參數

應用LDS-5 電子拉力試驗機對模型制作所用的材料及摩擦阻尼器進行了試驗分析^[10]。模型框架所用材料為中密度纖維板，圖4為中密度纖維板應力應變曲線，計算時采用簡化理想彈塑性模型，初始彈性模量取測量平均值1000MPa，屈服強度為8.5Mpa。棉繩受拉力學性能如圖5，試驗采用的棉繩長度與模型中相同。

摩擦阻尼器滯回模型如圖6所示，阻尼器屈服力Fd可通過改變接觸面壓力大小進行調整。因為最大靜摩擦力稍大于滑動摩擦力，造成試驗所得滯回曲線轉折點處產生一個尖角，見圖6(a),為簡化計算，有限元分析時取理想滯回模型進行計算，如圖6(b)^[11]。

4.1 中密度纖維板框架結構模型

根據木質多層框架結構模型尺寸，建立了有限元模型，如圖7所示。采用ABAQUS中兩節點線形梁單元B31模擬框架梁柱，框架節點按剛接簡化處理。有限元計算時采用非線性彈簧單元SpringA模擬棉繩的非線性力學特性，受拉剛度取2N/mm，受壓剛度為0。采用連接單元CONN3D2模擬摩擦阻尼器。通過設置連接單元的初始剛度和屈服荷載，以實現摩擦阻尼器特性。此分析模型Fd取30N，初始剛度取60N/mm。因樓面與質量塊采用熱熔膠粘結，造成樓面剛度較大忽略其變形，所以不考慮豎向荷載對各層樓面的作用，因此進行有限元分析時，將質量均勻分配到各層梁柱節點處，采用點質量模擬各樓層質量塊。

 本模型計算采用仿真工作站，CPU為至強E5-2650（10核心20線程），內存64G。

                   

4.3地震作用計算

采用隱式算法計算底部加速度時程作用下的結構響應，其基本思路如下：有限元分析分為兩個步驟，第一步采用Static General 步驟施加豎向重力荷載，模型底面采用固定約束；第二步采用Dynamic Implicit 步驟進行地震時程分析，釋放水平兩個方向的約束，并施加雙向地震波加速度時程。為驗證摩擦阻尼器的消能減震性能，進行了未設置阻尼器與設置阻尼器的兩個模型計算結果對比。兩個模型均作用峰值為250gal的雙向地震波時程曲線。圖8(a)為雙向250gal地震波，圖8(b)為6組地震波加速度反應譜。從圖9~10能夠看出，阻尼器的布置能明顯減小結構頂層位移和底部剪力。

                 

五、阻尼力參數分析

為研究阻尼器屈服力對結構抗震性能的影響，分別計算了峰值加速度為250gal和500gal的地震荷載作用下，阻尼器屈服力Fd分別為24N（方案A）、30N（方案B）、36N（方案C）時結構各層加速度響應、位移響應、各層水平轉角響應。

從圖可以看出，在24N~36N范圍內，相同地震波作用下阻尼器屈服力的改變對各層峰值加速度影響不明顯。但是在大震下，結構的峰值加速度有所增加，并且WE方向的各層峰值加速度包絡圖的形狀發生了明顯的改變。

通過以上對框架模型的數值計算分析，可得到以下結論：

1）模型的數值計算及加載測試結果顯示，摩擦阻尼器能有效提高此結構模型的耗能能力，并且斜向棉繩拉索的設置，對結構的層間位移起到了良好的控制作用。

2）有限元計算結構各層的響應結果顯示，在一定范圍內隨著阻尼器屈服力增加，結構各層的位移響應降低。摩擦阻尼器屈服里的改變對結構加速度響應沒有明顯影響。

3）由于阻尼器的非對稱布置，數值計算顯示，阻尼器屈服力的增加，會造成樓層最大轉角增大。