環(huán)向鳳梨型預折管在低速沖擊荷載下的能量吸收

劉 鵬 徐孝宇 李建宇 吳勝平

（1.東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 210096）

0 引言

在結(jié)構(gòu)使用過程中，普通支撐受壓時會產(chǎn)生嚴重的屈曲現(xiàn)象。受壓屈曲后，其剛度、承載力迅速降低。并且，在往復荷載下，普通支撐滯回性能較差。為解決以上問題，提出在支撐外部設置鋼套管，構(gòu)成屈曲約束支撐。但傳統(tǒng)屈曲約束支撐制作要求精度高，施工難度大。在使用和推廣上受到很大限制。

為克服現(xiàn)有技術存在的問題，將初始缺陷引入到傳統(tǒng)的普通支撐，作者提出了一種帶有環(huán)向鳳梨型誘導裝置的屈曲誘導支撐[1]（專利號：ZL201611020861.1），如圖1所示。

本文通過有限元模擬，分別對環(huán)向鳳梨型折痕管、普通方管在低速沖擊載荷下的力學行為進行分析，并對環(huán)向鳳梨形折痕管的能量吸收機理進行闡述。

圖1 環(huán)向鳳梨型屈曲誘導支撐示意圖

1 模型介紹

圖2 折痕單元示意圖

現(xiàn)對環(huán)向鳳梨型折痕單元進行介紹。如圖 2所示，六個三角形兩兩共線，相交于一頂點，其中9和10的公共邊和12和13的公共邊為峰線15，10和11的公共邊、11和12的公共邊、13和14的公共邊、14和9的公共邊為谷線16，相鄰的兩個三角板沿著峰線15向外折疊，并沿著谷線16向內(nèi)折疊。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型參數(shù)設置

通過ABAQUS對低速落錘試驗中環(huán)向鳳梨形折痕管的力學性能進行分析。此外，參考Cowper- Symonds模型，對材料應變率強化效果[2]進行模擬。Q235鋼應變率強化參數(shù)C和P分別為114 s-1和5.56[3]。管壁自身采用自接觸式，并且在管壁和剛性板之間使用表面-表面接觸型[3]。此外，在ABAQUS計算中的網(wǎng)格劃分中，應使得殼單元的最小邊長的長度大于殼的厚度[5]。

2.2 數(shù)值結(jié)果

圖3 數(shù)值模擬變形模式

圖4 環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管承載力對比

圖5 環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管承載力耗能對比

圖 3給出的是環(huán)向鳳梨型折痕管和普通方管的變形模式。普通方管變形模式為對稱變形；環(huán)向鳳梨型折痕管變形模式為大變形。折痕的引入迫使預折疊管的折疊部分的數(shù)量等于標準部分的數(shù)量，使得移動塑料鉸線的數(shù)量從8條增加到16條。移動塑料鉸鏈數(shù)量的增加，導致塑性變形發(fā)生的區(qū)域增加。然而，普通方管在變形中具有三個折疊段，并且發(fā)生塑性變形的區(qū)域，僅存在于普通方管的拐角周圍的小區(qū)域。大多數(shù)區(qū)域的材料沒有塑性變形，這限制了能量的吸收。

圖4、圖5為環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管的承載力、耗能對比。對于環(huán)向鳳梨型折痕管，折痕的引入使其峰值載荷降低44.8%；平均載荷提高37.2%；壓縮效率提高151.6%。環(huán)向鳳梨型折痕管之所以有如此優(yōu)異的耗能性能，與其幾何構(gòu)型有關。

與普通圓管相比，環(huán)向鳳梨型折痕在普通方管的 4條棱上引入特殊折痕。首先，折痕的引入大大降低支撐結(jié)構(gòu)的軸向剛度，所以其峰值載荷降低44.8%。其次，折痕的引入增加塑性鉸線的數(shù)量，使其移動時掃過的總面積增加；塑性鉸線的掃掠使得管壁的某些區(qū)域產(chǎn)生兩次連續(xù)的塑性彎曲[5]，吸收大量能量。

3 結(jié)論

本文研究了一種環(huán)向鳳梨型預折管，在普通方管壁上引入鳳梨型折痕。通過數(shù)值分析可得，鳳梨型折痕可以對預折管在軸向沖擊載荷下的變形模式進行誘導，并大大提高能量吸收效率。折痕的引入導致邊緣和側(cè)面與橫截面產(chǎn)生一定的傾斜度。這種傾斜度降低了軸向剛度和峰值荷載。同時，使移動塑料鉸鏈的數(shù)量加倍，增大預折痕管壁上的塑料區(qū)，提高能量吸收效率。