ABAQUS减隔震单元库开发、验证及实践
在减隔震设计中，消能减震元器件或者隔震支座可以耗散或吸收地震输入结构的能量，从而减少主体结构的地震反应。这些减隔震元器件在罕遇地震下的性能必须采取动力弹塑性时程分析进行校核，需要可靠的减隔震元器件单元模型。
我们基于试验结果和经典减隔震理论，研发了减隔震元器件单元库，并与自主研发的基于ABAQUS的复杂建筑结构高等非线性分析软件CSEPA集成，能够高效地完成减隔震结构的动力弹塑性分析。本文将介绍减隔震元器件单元库的开发、试验验证以及工程应用。
我们研发的减隔震单元库囊括了市面上主流的减隔震元器件产品，主要分为消能减震元器件、隔震元器件和调谐消能器这三大类，如下图所示。本次推文首先简要介绍消能减震元器件和隔震元器件的基本原理，然后介绍基于ABAQUS的减隔震元器件单元库开发及其在复杂结构分析中的应用。
减隔震元器件分类
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减隔震原理
1.1反应谱
结构消能减震技术的主要设计思想是：通过附加消能减震装置（元器件）与原结构组成一个新的子结构，在主体结构进入非弹性状态前装置率先进入耗能工作状态，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或黏弹性）滞回变形来耗散能量或吸收地震输入结构的能量，以减少主体结构的地震反应。
隔震技术的主要设计思想是：通过在建筑上部结构与地基之间采用柔性连接，使得隔震子结构发生较大的变形，通过隔震装置的滞回变形来耗散能量或吸收地震输入上部结构的能量，从而使上部结构作近似平动，减轻上部结构的变形和破坏。
下图从反应谱的角度来说明减震和隔震技术的基本原理。隔震结构通过设置隔震层，延长上部结构的周期，提高结构阻尼比，如：将结构周期从隔震前的0.5s延长至隔震后的2s，阻尼比从隔震前的0.05提升至0.15，结构所承担的地震力显著降低。
隔震原理
消能建筑结构通过设置消能器，可以不显著改变结构周期而显著增加结构的阻尼，如：可将结构的阻尼比从设置消能器前的0.05增加至设置消能器后的0.15，从而吸收地震输入结构的能量。需要注意的是，采用速度型相关消能器一般不会引入附加刚度。而采用位移型阻尼器时，消能减震子结构会引入额外的刚度，改变局部的受力状态，甚至减小结构整体的振动周期。
减震原理-速度型
减震原理-位移型
1.2动力方程
下面从运动方程的角度来介绍减隔震体系与普通结构体系的差异。针对减隔震体系的动力方程求解，不仅要考虑材料层面的非线性项(动力方程中的F(x)项)，还要考虑不同减隔震元器件的滞回性能(动力方程中的Fs(x)项)。
关于材料非线性，可以通过材料试验结果拟合->材料应力应变行为->截面纤维模型（分层壳模型）这样的精细化建模步骤来计算得到具体构件的力学行为，这部分内容可查看《建筑黑科技来袭之Abaqus材料本构库开发、验证及工程实践》一文。
关于减隔震元器件的滞回关系，即减隔震元器件的力-位移关系或力-位移-速度关系，工程上一般可采用一些经典的恢复力模型直接描述减隔震元器件的杆端力-位移关系。
减隔震体系动力方程
对于采用基础隔震的结构而言，隔震支座的水平刚度相对上部结构较小，需要合适的延性和耗能能力。根据实际的工程需要选择了特定的产品之后，则需要根据不同的减隔震元器件产品的参数建立其分析模型，一般可以通过厂家给出的试验结果和一些经典的恢复力模型来确定。
采用时程分析的方法可以得到如下图所示的多自由度振动动画，抗震体系的六个自由度的层模型变形主要集中在上部结构竖向构件，而隔震体系的七自由度的层模型的变形则主要集中在底部的隔震层，隔震体系可以有效避免上部结构受到较大的变形。
普通多自由度体系振动动画
隔震多自由度体系振动动画
对于减震结构而言，消能器提供的阻尼越高，自然减震效果越好，而消能器是否引入附加刚度或者消能器的刚度取多大则需要根据具体的结构方案进行选择。
减震体系滞回动画
有了减隔震元器件的恢复力模型之后，对上式进行积分，我们就可以得到能量平衡方程，给出动能、弹性阻尼耗能、构件滞回耗能以及减隔震元器件滞回和阻尼耗能的能量曲线。基于能量曲线，可以计算得到弹塑性附加阻尼比和阻尼器附加阻尼比，这是减震结构设计所需要的重要参数。对于隔震结构而言，隔震支座的重要性不言而喻，同样需要准确性和适用性较高的恢复力模型才能够对隔震效果进行准确评估。
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减隔震元器件单元库开发
减隔震元器件单元库是为高等非线性分析集成软件CSEPA开发的减隔震分析模块。关于CSEPA这部分内容可以查看我们之前的微信推送《建筑黑科技-CSEPA 结构工程师的无限手套》一文。
减隔震元器件单元库包括了弹性支座、防屈曲约束支撑、消能减振阻尼器以及隔震支座等市面上常见的减隔震产品。
2.1弹性支座
在大跨钢屋盖中，为释放屋盖温度荷载，减小上部屋盖对下部结构的影响，常采用弹性支座与下部结构连接。常用的弹性支座如固定支座、单向滑动支座、双向滑动支座、径向滑动支座、环向滑动支座等。
CSEPA软件可以很方便地建立Connector单元模拟弹性支座，根据工程实际情况输入弹性支座六个方向刚度。
减隔震元器件单元库-弹性支座
2.2消能减振器
防屈曲约束支撑（BRB）可以避免支撑在受压时发生屈曲，不仅为结构提供很大的刚度和承载力，同时通过其内部芯材屈服来耗散地震能量，是工程中常用的消能器件。选取李国强等人进行的屈曲约束支撑抗震性能试验对所编制的Bouc-wen材料子程序进行验证。
减隔震元器件单元库-防屈曲约束支撑
速度型相关阻尼器，即粘滞阻尼器，是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的。广泛应用于高层建筑、桥梁、建筑结构抗震改造、工业管道设备抗振、军工等领域。选取周云等人进行的黏弹性阻尼器力学试验对研发的速度相关型阻尼器进行验证，包括反映黏弹性阻尼器的轴向模型以及反映黏弹性阻尼墙的剪切方向模型。
减隔震元器件单元库-黏滞阻尼墙
位移型阻尼器屈服强度低、延性好，比主体结构更早进入屈服，利用软钢屈服后的累积塑性变形来达到耗散地震能量的效果。位移型阻尼器宜布置在不影响建筑功能且能最大限度地发挥其耗能作用的部位。选取王静峰等人进行的金属阻尼器力学试验对研发的位移相关型阻尼器进行验证。
减隔震元器件单元库-金属阻尼器
2.3隔震支座
隔震支座是指结构为达到隔震要求而设置的支承装置，是在上部结构与地基之间增加隔震层，安装隔震支座，起到与地面的软连接。铅芯橡胶隔震支座具有竖向刚度拉压异性的特点，水平方向切向刚度需要考虑双向耦合。采用刘彦辉等人实施的铅芯橡胶隔震支座试验对研发的程序进行验证。
减隔震元器件单元库-隔震支座
摩擦摆支座以球面或者椭球面作为滑动面，在竖向荷载作用下具有自复位功能，能够利用摩擦来耗能起到类似阻尼器的效果。选取冷新云等人进行的摩擦摆支座试验对研发的摩擦摆隔震支座进行验证。
减隔震元器件单元库-摩擦摆支座
CSEPA同样提供了将多种减隔震元器件组合起来使用的混合减隔震方案，在实际项目中可以灵活运动。
橡胶隔震支座+黏滞阻尼器混合减隔震
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工程应用
我们发展了基于考虑材料非线性的本构库和丰富的减隔震元器件单元库的精细化建模方法，在此基础上可以进行复杂结构的动力弹塑性分析。使得结构分析人员能够更为准确地把握罕遇地震下的减隔震效果，同时可以对减隔震元器件的布置起到一定的参考作用。
我们开发的减隔震单元库已在多个减隔震项目的结构动力弹塑性分析中获得了应用，未来还将对具体项目的具体减隔震元器件进行针对性开发从而满足不同的结构形式和日益丰富的减隔震结构需求。
减隔震元器件单元库-工程应用
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结语
地震是我们无法避免的一种自然现象，有人说减隔震技术是人类的福音、地震的克星。只有通过不断致力于发展科技创新、推广技术应用，才能减轻地震造成的人员伤亡和经济损失。我们CSADIer将不断创新创意，将高新的技术运用于工程设计中，提升项目品质。
研发团队：
张慎、王杰、程明、孟仲永、丁世伟
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