H型鋼自復(fù)位屈曲支撐抗震研究

趙杰 ，關(guān)群 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

我國的土木工程長期承受著地震的影響，由于我國地域廣闊，包含多種地貌特征與場地類型，各地承受地震的危害也大有不同，震災(zāi)過后，建筑結(jié)構(gòu)因?yàn)樽冃螣o法復(fù)原的原因，安全性存在著重大的隱患，重建工作的順利進(jìn)行變得尤為重要。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的使用能夠滿足重建工作的短周期、抗震好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，并且大量使用裝配式鋼構(gòu)件也符合我國目前鋼產(chǎn)量過?，F(xiàn)狀和大力發(fā)展綠色建筑的政策方針。將復(fù)位系統(tǒng)加入裝配式建筑中，使構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生的參與形變得到一定程度的復(fù)原，不僅保障受地震作用之后建筑的安全性能，同時(shí)提升了構(gòu)件的使用壽命。

防屈曲支撐的優(yōu)點(diǎn)在于不增加構(gòu)件剛度，依靠側(cè)向約束的作用，阻止核心構(gòu)件發(fā)生過度的屈曲，提升構(gòu)件的承載力，但是受地震作用，核心構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生不可復(fù)原的殘余形變，成為結(jié)構(gòu)安全的一大隱患。自復(fù)位防屈曲支撐結(jié)合了防屈曲支撐與自復(fù)位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在增加承載力的同時(shí)，減小防屈曲支撐的殘余形變，促使自恢復(fù)性防屈曲支撐的應(yīng)用范圍更加廣泛與實(shí)用。但部分自復(fù)位支撐的設(shè)計(jì)都過于復(fù)雜，材料使用昂貴，對(duì)于工程造價(jià)和施工依然存在不利影響。

目前，防屈曲支撐的研究已趨向成熟，國內(nèi)外專家進(jìn)行過大量的研究[1-4]，按照約束部件可分為：混凝土約束、鋼約束。按照核心構(gòu)件的截面可以分為：一字、十字和型鋼芯?；炷良s束，由于施工工藝不好控制，且周期長無法精準(zhǔn)控制構(gòu)件質(zhì)量；全鋼約束，生產(chǎn)周期短，可以控制約束部件與核芯部件的約束間隙，能夠保證構(gòu)件的成品質(zhì)量，符合安全綠色建筑要求。一字內(nèi)芯承載能力低[5]，十字形內(nèi)芯初始缺陷嚴(yán)重[6]。H型屈曲支撐有著較好的受力性能[7-9]。

2010年 Oda與Usami[10]對(duì) H型鋼屈曲支撐進(jìn)行了研究，如圖1所示，研究結(jié)果表明H型屈曲支撐擁有良好的耗能能力，但由于約束部件對(duì)于型鋼翼緣內(nèi)側(cè)約束程度過小，導(dǎo)致一根構(gòu)件局部屈曲嚴(yán)重促使構(gòu)件破壞，未達(dá)到理想承載力。

圖1 H型鋼防屈曲支撐

文章總結(jié)上述提出的問題，提出一種新型H型自恢復(fù)防屈曲支撐，本支撐采用H型鋼作為耗能內(nèi)芯，采用型鋼與鋼管作為約束部件，高強(qiáng)彈簧作為自恢復(fù)系統(tǒng)形，整體采用螺栓與卡扣方式裝配而成，通過使用ABAQUS有限元模擬軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的防屈曲支撐，殘余形變量一定程度的消除，承載力得到明顯的提升。

1 新型自復(fù)位屈曲支撐的設(shè)計(jì)

新型自復(fù)位防屈曲支撐按照功能由以下兩個(gè)部件構(gòu)成：H型防屈曲支撐（HBRB）和自復(fù)位系統(tǒng)（SC)。

1.1 H型鋼防屈曲支撐與復(fù)位系統(tǒng)

新型H型防屈曲支撐如圖2所示，由全鋼約束部件、H型鋼耗能內(nèi)芯、加強(qiáng)板和高強(qiáng)彈簧組成。H型組合型鋼為主要耗能內(nèi)芯，防止連接段在屈服段發(fā)生明顯屈曲之前發(fā)生屈曲破壞，將連接段利用鋼板依次加強(qiáng)，將C字型鋼放入H型鋼槽中，再依照?qǐng)D中依次裝上一字型鋼板，利用高強(qiáng)螺栓組合完成，加強(qiáng)板深入約束鋼板3%的長度，保證約束部位始終在約束部位以內(nèi)，將作為恢復(fù)系統(tǒng)的高強(qiáng)彈簧部件依次放入預(yù)先留好的連接板中間，利用螺栓依次連接完成。兩端與結(jié)構(gòu)部件正常連接。

圖2 新型自恢復(fù)型屈曲支撐

耗能內(nèi)芯的理論模型采用理想的雙線性模型，如圖3所示，F(xiàn)c其中為內(nèi)芯軸力，uc為耗能內(nèi)芯軸向形變量。

復(fù)位裝置由連接板與高強(qiáng)壓縮彈簧構(gòu)成，四組分別前后左右對(duì)稱放入預(yù)留在耗能裝置和約束裝置中的安裝孔位，耗能裝置與約束裝置不直接相連，通過高強(qiáng)彈簧相連，通過高強(qiáng)彈簧拉伸和壓縮達(dá)到自復(fù)位的性能。復(fù)位系統(tǒng)的受力模型采用線彈性模型彈簧鋼度為Ks1。

1.2 自復(fù)位系統(tǒng)與H型鋼防屈曲支撐聯(lián)合工作

圖3 耗能內(nèi)芯恢復(fù)力模型

在地震作用下，新型自復(fù)位系統(tǒng)受力復(fù)雜。為便于研究，簡化成理論模型如圖4所示，耗能內(nèi)芯與約束管套之間通過左右兩側(cè)彈簧對(duì)稱連接，在地震作用下，復(fù)合構(gòu)件受到軸向力作用，耗能內(nèi)芯被壓縮（拉伸），帶動(dòng)兩側(cè)彈簧壓縮（拉伸），由于一端約束部件保持平衡，恢復(fù)部件會(huì)給耗能內(nèi)芯一個(gè)反向力，在地震過后通過恢復(fù)部件內(nèi)力使耗能內(nèi)芯恢復(fù)至原來位置，恢復(fù)力F=4Fs。在整個(gè)受力過程中，約束部件與恢復(fù)部件保持串聯(lián)受力，與耗能內(nèi)芯為并聯(lián)關(guān)系，約束不僅僅起到約束作用還起到了傳力作用，還使得整個(gè)構(gòu)件耗能與恢復(fù)同時(shí)進(jìn)行、同時(shí)作用。

圖4 新型自恢復(fù)型屈曲支撐模型

2 有限元模型的建立

該新型自復(fù)位防屈曲支撐由H型鋼與多個(gè)加強(qiáng)板、高強(qiáng)彈簧、約束管套組成，分析時(shí)需要處理各個(gè)構(gòu)件復(fù)雜的接觸關(guān)系。同時(shí)，該構(gòu)件在地震作用下實(shí)際會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，屬于非線性問題。由于大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件ABAQUS對(duì)于非線性問題求解和對(duì)于接觸定義上的具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，所以本文采用ABAQUS軟件對(duì)防屈曲支撐（B-1）、新型自復(fù)位H型鋼（B-2）進(jìn)行模擬分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

全套構(gòu)件為鋼材，其中耗能內(nèi)芯選用Q235級(jí)鋼，約束管套、加強(qiáng)板均采用Q345鋼材。彈簧采用壓縮性高強(qiáng)度彈簧，具有強(qiáng)度高，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。有限元模擬時(shí)，鋼材選用理想彈塑性模型，本構(gòu)關(guān)系選用符合雙折線模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，泊松比取0.3，塑性模擬采用von M ises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。

2.2 有限元模型的截面尺寸和單元類型

建立新型自恢復(fù)型屈曲支撐有限元模型尺寸如圖5所示。

圖5 主要構(gòu)件尺寸

根據(jù)實(shí)際連接方式定義各個(gè)構(gòu)件之間的接觸關(guān)系，加強(qiáng)板、連接板與耗能內(nèi)芯通過焊接拼裝而成，設(shè)置為綁定約束，分析過程中視為一個(gè)整體；加強(qiáng)板與約束管套實(shí)際用高強(qiáng)彈簧相連，模型中定義為彈簧連接，固定彈簧鋼度；耗能內(nèi)芯與約束部件的在不受力的情況下不接觸，在壓縮狀態(tài)下，耗能內(nèi)芯發(fā)生屈曲變形，局部會(huì)與約束管套接觸，接觸比較復(fù)雜，通過定義接觸來表達(dá)相互作用關(guān)系，選擇除耗能內(nèi)芯的構(gòu)件為主接觸面，耗能內(nèi)芯為從接觸面，接觸之間選擇有限滑移理論來計(jì)算，垂直面上的摩擦方式采用硬接觸，切線方向采用庫倫摩擦。

網(wǎng)格屬性的定義從計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度考慮采用線型減縮積分單元（C3D8R）。又因?yàn)橹鹘佑|面網(wǎng)格密度小于從接觸面，才能保證計(jì)算準(zhǔn)確，耗能內(nèi)芯的網(wǎng)格密而小，約束管套、加強(qiáng)板、連接板網(wǎng)格稀而粗。實(shí)體單元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

2.3 荷載與邊界條件的設(shè)定

有限元模擬當(dāng)中，為了防止構(gòu)件局部屈曲，所以采用變幅位移加載方式，加載歷程參照SEAOC-AISC制定的標(biāo)準(zhǔn)，支撐構(gòu)件在地震作用下內(nèi)芯形變量一般在1%～2%,本文加載長度取3%，詳細(xì)加載制度如圖7所示。

在實(shí)際地震作用中，上端的位移量相對(duì)于下端要大，模型分析時(shí)構(gòu)件一端采用固接，另一段約束2個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，允許x方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，在端部參考點(diǎn)上加載動(dòng)位移，模型如圖8所示。

圖7 等幅加載關(guān)系

圖8 邊界條件

3 分析結(jié)果

3.1 防屈曲支撐擬靜力分析

防屈曲支撐變形圖如圖9所示，約束管套出現(xiàn)明顯的應(yīng)力反應(yīng)，對(duì)耗能部件起到明顯的約束作用，分析過程中加強(qiáng)過渡段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且嚴(yán)重屈曲部位接近加強(qiáng)段過渡區(qū)。

通過分析可知，剛度是防屈曲支撐的承載力的重要因素，應(yīng)力集中的原因在于剛度的突變加強(qiáng)板剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屈服段界面剛度，造成因剛度變化而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中使得該段屈服段出現(xiàn)屈曲變形。防屈曲支撐的滯回曲線如圖10所示，分析圖可得到，整體骨架飽滿，說明該屈曲支撐的耗能性能良好，恢復(fù)力良好，構(gòu)件整體性能優(yōu)越，但是分析每次循環(huán)到應(yīng)力為0時(shí)，當(dāng)加載位移越大，殘余應(yīng)變也隨之增大。計(jì)算殘余變形與最大加載位移的比值，發(fā)現(xiàn)隨著加載幅值的增加比值也逐漸增大，如表1所示。

3.2 新型H型自復(fù)位防屈曲支撐分析

新型自恢復(fù)型防屈曲支撐的應(yīng)力圖與滯回曲線如圖11與圖12所示。由滯回曲線可以得到，耗能效果提升了30%，抗震能力得到提升。存在的殘余變形與幅值比值的表2所示?？傻米畲蟮谋戎禐?.51，相比于防屈曲支撐的殘余變形比值最大值為0.89有了明顯的改善，達(dá)到了自復(fù)位的效果。同時(shí)使構(gòu)件得到自恢復(fù)能力并且使構(gòu)件的耗能能力得到提升，一定程度緩解了摩擦型屈曲支撐的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文將新型H型自復(fù)位防屈曲支撐相較于傳統(tǒng)防屈曲支撐，通過有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

圖9 擬靜力模型的滯回曲線

最大變形與殘余變形 表1

①新型支撐構(gòu)件殘余變形明顯減小，大大改善了構(gòu)件性能；

圖11 新型H型自復(fù)位防屈曲擬靜力模型的滯回曲線

最大變形與殘余變形 表2

②新型自恢復(fù)性屈曲支撐采用耗能內(nèi)芯與恢復(fù)部件并聯(lián)受力，使約束管套參與受力，構(gòu)件受力更合理明確。

③新型自恢復(fù)性H型屈曲支撐采用新式簡單組裝形式，保留了傳統(tǒng)防屈曲支撐優(yōu)點(diǎn)，提升了構(gòu)件的耗能能力，有較好的自復(fù)位能力，提升了抗震性能，在今后多層鋼結(jié)構(gòu)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。