1 概述

带棒形连接件的耗能结构的预期损伤机制是：正常使用和小震作用下，可更换元件在弹性范围内工作，保证结构具有足够的抗侧移刚度；在罕遇地震作用下，可更换元件首先进入塑性，耗散地震输入的能量，保证主体结构的安全。棒形连接双柱耗能结构是引入棒形连接件连接中间断开的结构。如图1所示[1]。棒形连接件与双柱采用螺栓连接，螺栓采用摩擦型高强螺栓[2]。棒形连接双柱耗能结构主要用材料为钢材，其中棒形连接件采用Q235钢，双柱采用Q345钢；棒形连接件采用实体单元来模拟，采用六面体映射网格划分或者是过渡六面体映射网格划分；选用SHELL181单元来模拟双柱结构，用映射面网格。加载时，在柱子底端加以固定铰支座，约束X、Y、Z方向；采用的是最大变形幅值的百分比加载。计算结果采用Von Mises应力。

2 破坏现象分析

对棒形连接双柱耗能结构有限元模型在位移较小时，棒形连接件两端塑性不断发展出现塑性铰时，以及端部即将发生破坏时，这三个阶段的计算结果用Von Mises应力、位移变形等参数进行了分析。

  

图1 棒形连接双柱耗能结构

刚开始加载时，荷载的作用不大，结构处于弹性范围，刚度较大，最大的应力出现在加载区域的附近；而后随着水平荷载的不断增加，超过3mm位移值时，最大应力出现在棒形连接件附近，此时仅有有小部分塑性变形；当位移达到25mm左右时，棒形连接件两端塑性区域不断发展，两端出现塑性铰；当达到77.6mm时，棒形连接件两端应力较大，反弯点在中部，此时棒形连接件整个屈服状态，如图2所示。

  

图2 耗能结构的Von mises应力云图（顶点位移=77mm）

  

图3 1号棒形连接件Von mises应力云图

3 棒形连接双柱耗能结构参数分析

为了研究棒形连接件数量对耗能性能的影响，本文用ANSYS有限元软件建立了个数分别为5个、3个和2个的有限元模型，这三个几何模型的尺寸除棒形连接件的个数外，均一致。

3.1 滞回曲线

一般来说，滞回曲线[3]最直观的反应就是试件受力和产生位移的关系，这样曲线可以看出在某个力的作用下，位移有多大。

图4是不同数目棒形连接件所在结构的滞回曲线。

从图4的滞回曲线可以看出：

a.在循环荷载的作用下，棒形连接件不同的耗能结构的节点滞回曲线大致可分为弹性阶段、弹塑性阶段。从骨架曲线看，耗能结构由弹性阶段发展到弹塑性阶段有一个较为明显的拐点，该点可认为是屈服点，其对应的位移为屈服位移。

b.从横向对比发现，连接件数目多的具有更好的承载能力。数目少的耗能结构有更好的变形能力。

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图4 不同数目棒形连接件所在耗能结构的滞回曲线

3.2 骨架曲线

骨架曲线可以有限的反映节点的极限承载力和延性等。不同数目棒形连接件的骨架曲线如图5所示。

c.连接件个数过少时，不利于提高耗能结构的刚度，甚至可能会造成在使用阶段就过早屈服，不利于正常使用。

  

图5 不同数目棒形连接件所在耗能结构的骨架曲线

d.三个结构的骨架曲线在各自屈服位移之前，骨架曲线有一段基本重合的时期，刚开始加载时，各个结构的受力基本相似，而后由于棒形连接件数目不同，耗能结构受力状态发生了变化。

a.滞回曲线较为饱满，有较高的耗能能力。

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等效粘滞阻尼系数he经常被用来评价结构的耗能性能，表征构件的滞回环与矩形滞回环的接近程度[4]。等效粘滞阻尼系数越大，表征构件在该位移下耗散的能量越多。

5）在此次交易得到6次确认之后，攻击者顺利地造成了交易得到确认而主链上并没有此笔交易的情况，此时攻击者停止奖励；

从图5可以发现:

c.随着棒形连接件数目的增加，结构的屈服荷载、极限荷载都有不同程度的提高。

3.3 等效粘滞阻尼系数

b.加载初期，棒形连接件为结构提供抗侧刚度，当加载到一定位移，棒形连接件两端应力大于屈服强度，两端发生局部屈服，出现塑性铰，骨架曲线出现拐点。由此可见，结构进入弹塑性阶段是由于棒形连接件相继屈服引起的。

图6是数目不同的棒形连接双柱耗能结构的等效粘滞阻尼系数和位移的关系。

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图6 等效粘滞阻尼系数和位移的关系

由图6可知，连接件个数越少，等效粘滞阻尼系数越大，说明在整个加载过程中，连接件个数少的耗能能力较强，可更换元件的耗能结构发挥了较好的耗能作用。

4 结论

棒形连接双柱耗能结构在地震往复作用下棒形连接件首先屈服，以耗散地震能量。设计合理的棒形连接双柱耗能结构在地震作用下，棒形连接件的剪切耗能可以有效的保护结构其他部分，且在地震后方便、快速的更换。

棒形连接件在耗能结构中具有双重作用：一是正常使用时以及小震下，棒形连接件在弹性范围内工作，连接两边的结构，保证结构具有足够的抗侧刚度；在罕遇地震下，棒形连接件先进入塑性，耗散地震输入的能量，保证主体结构的安全。棒形连接件的剪切破坏类似于耗能梁段的破坏形式，剪切破坏具有较好的延性及耗能能力。因金属棒形连接件的变形能力较强，扩大了能量耗散的范围，得到的滞回曲线饱满且稳定，符合概念设计中对于多重设防体系的要求。

棒形连接件个数过于少时，不利于提高耗能结构的刚度，甚至可能会造成在使用阶段就过早屈服，不利于正常使用。适当增加棒形连接件的个数可以使其的剪切耗能更加充分，同时提高了结构的整体耗能。选择数目为3-5个。

参考文献

[1]Dougka G,Dimakogianni D,Vayas I.Seismic behavior of frames with innovative energy dissipation systems(FUSEIS 1-1)[J]Earthquakes&Structures,2014,6(5):561-580.

[2]Dimakogianni D,Dougka G,Vayas I,et al.Innovative seismic-resistant steel frames (FUSEIS 1-2)experimental analysis[J].Steel Construction,2012,5(4):212-221.

[3]赵大梅.不同墙肢布置方式的框支短肢剪力墙斜柱式转换结构抗震试验研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[4]张好铭.型钢混凝土柱在复合受扭下抗震性能分析[D].青岛:青岛理工大学,2014.