木质框架模型在双向地震作用下的仿真研究

一、模型设计

根据结构在地震作用下要求强柱弱梁，且具有较强的耗能能力等原则，此框架结构采用4根较大截面L型柱作为主要竖向构件，底层退缩部分框架柱采用较小截面木条，梁为较小截面的矩形木条。

模型高度700mm，1层净高15cm，其余层高均为11cm，共六层，高宽比4.67。模型4层及以上所有楼层进行缩进，即模型4楼及以上所有楼层地板面积为3楼地板面积的75%。为提高结构在动荷载作用下的耗能能力及稳定性，在结构3、5层设摩擦阻尼器F，如图6(a)所示，2、4、6层设交叉棉绳拉索CP,如图9所示。

因为题目对房屋门窗等开口空间求，无法实现阻尼器和拉索的对称布置。图3为1~2层框架柱截面尺寸及平面布置图，3层及以上楼层仅有L型截面柱四根。框架梁全部采用5.5mm×4mm的矩形截面。

二、模型制作

模型4根L型框架柱采用长度为700mm的5根矩形截面木条拼接而成，中间用热熔胶进行可靠粘结，之后将矩形梁以首层至顶层的顺序依次用热熔胶粘结至L型柱相应位置，将结构粘结成一个整体，并保证梁柱的垂直状态。

摩擦阻尼器两端用热熔胶固定在上下楼层的两个梁柱节点处。交叉棉绳采用锁扣的方式在梁柱节点处进行固定，并用热熔胶进行粘结，以保证节点的强度，提高模型整体的稳定性。最后将模型柱脚用热熔胶与底板进行可靠粘结，保证加载过程中的可靠性。

三、材料及阻尼器参数

应用LDS-5 电子拉力试验机对模型制作所用的材料及摩擦阻尼器进行了试验分析^[10]。模型框架所用材料为中密度纤维板，图4为中密度纤维板应力应变曲线，计算时采用简化理想弹塑性模型，初始弹性模量取测量平均值1000MPa，屈服强度为8.5Mpa。棉绳受拉力学性能如图5，试验采用的棉绳长度与模型中相同。

摩擦阻尼器滞回模型如图6所示，阻尼器屈服力Fd可通过改变接触面压力大小进行调整。因为最大静摩擦力稍大于滑动摩擦力，造成试验所得滞回曲线转折点处产生一个尖角，见图6(a),为简化计算，有限元分析时取理想滞回模型进行计算，如图6(b)^[11]。

四、有限元分析

4.1 中密度纤维板框架结构模型

根据木质多层框架结构模型尺寸，建立了有限元模型，如图7所示。采用ABAQUS中两节点线形梁单元B31模拟框架梁柱，框架节点按刚接简化处理。有限元计算时采用非线性弹簧单元SpringA模拟棉绳的非线性力学特性，受拉刚度取2N/mm，受压刚度为0采用连接单元CONN3D2模拟摩擦阻尼器。通过设置连接单元的初始刚度和屈服荷载，以实现摩擦阻尼器特性。此分析模型Fd取30N，初始刚度取60N/mm。因楼面与质量块采用热熔胶粘结，造成楼面刚度较大忽略其变形，所以不考虑竖向荷载对各层楼面的作用，因此进行有限元分析时，将质量均匀分配到各层梁柱节点处，采用点质量模拟各楼层质量块。

本模型计算采用仿真工作站，CPU为至强E5-2650（10核心20线程），内存64G。

4.3地震作用计算

采用隐式算法计算底部加速度时程作用下的结构响应，其基本思路如下：有限元分析分为两个步骤，第一步采用Static General 步骤施加竖向重力荷载，模型底面采用固定约束；第二步采用Dynamic Implicit 步骤进行地震时程分析，释放水平两个方向的约束，并施加双向地震波加速度时程。为验证摩擦阻尼器的消能减震性能，进行了未设置阻尼器与设置阻尼器的两个模型计算结果对比。两个模型均作用峰值为250gal的双向地震波时程曲线。图8(a)为双向250gal地震波，图8(b)为6组地震波加速度反应谱。从图9~10能够看出，阻尼器的布置能明显减小结构顶层位移和底部剪力。

五、阻尼力参数分析

为研究阻尼器屈服力对结构抗震性能的影响，分别计算了峰值加速度为250gal和500gal的地震荷载作用下，阻尼器屈服力Fd分别为24N（方案A）、30N（方案B）、36N（方案C）时结构各层加速度响应、位移响应、各层水平转角响应。

从图可以看出，在24N~36N范围内，相同地震波作用下阻尼器屈服力的改变对各层峰值加速度影响不明显。但是在大震下，结构的峰值加速度有所增加，并且WE方向的各层峰值加速度包络图的形状发生了明显的改变。

通过以上对框架模型的数值计算分析，可得到以下结论：

1）模型的数值计算及加载测试结果显示，摩擦阻尼器能有效提高此结构模型的耗能能力，并且斜向棉绳拉索的设置，对结构的层间位移起到了良好的控制作用。

2）有限元计算结构各层的响应结果显示，在一定范围内随着阻尼器屈服力增加，结构各层的位移响应降低。摩擦阻尼器屈服里的改变对结构加速度响应没有明显影响。

3）由于阻尼器的非对称布置，数值计算显示，阻尼器屈服力的增加，会造成楼层最大转角增大。

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