基于熱軋抗震阻尼鋼的防屈曲支撐有限元分析

赫宇童，丁孫瑋，2，趙 露，涂田剛，2

(1.上海材料研究所， 上海 200080；2.上海消能減震工程技術(shù)研究中心， 上海 200080)

我們國家地震活動頻繁，強度大而分布廣，是一個震災(zāi)問題十分嚴(yán)重的國家。1949年以來，100多次破壞性地震襲擊了22個省(自治區(qū)、直轄市)，其中涉及東部地區(qū)14個省份，造成27萬余人喪生，占全國各類災(zāi)害死亡人數(shù)的54%，地震成災(zāi)面積達30多萬平方公里，房屋倒塌達700萬間。地震及其他自然災(zāi)害的嚴(yán)重性構(gòu)成我國的基本國情之一。

雖然目前防屈曲支撐在工程中廣泛應(yīng)用，但許多支撐使用高屈服點鋼作為芯材，設(shè)計出的產(chǎn)品延性固然優(yōu)越，但小震下支撐彈性狀態(tài)而無法耗能，許多學(xué)者基于此類問題，進行了大量的創(chuàng)新性開發(fā)，孫瑛志等[1]提出了一種將金屬套管阻尼器與防屈曲支撐組合而實現(xiàn)雙階耗能防屈曲支撐；張哲等[2]也是提出將防屈曲支撐和鋼阻尼器組成雙階段防屈曲支撐，具有良好的分段耗能性，來彌補單階支撐對于小型地震處理的不足；陳洪劍等[3]提出了一種雙屈服點一字形全鋼防屈曲支撐，引入了兩種屈服點的鋼材作為芯材，并進行了有限元模擬分析。

本文提出了一種新材料——高屈服點鋼材熱軋抗震阻尼鋼，與軟鋼LY160進行配比組合，并利用有限元軟件ANSYS Workbench對兩種材料的不同配比組合進行仿真模擬，分析比較它們的力學(xué)性能的差異，選出性能最好的試件，為后續(xù)相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 試件設(shè)計

1.1 參數(shù)設(shè)計

設(shè)計五根芯材試件，對兩種鋼材進行不同參數(shù)的配比組合，由于某種單一材料配比過少(低于20%)，導(dǎo)致對整體性能的影響不大，因此五種配比情況見表1。

表1 試件配比參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的防屈曲支撐主要引入了一種新材料——熱軋抗震阻尼鋼，芯材主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一塊長的阻尼鋼上下焊接兩塊短的軟鋼LY160組成十字型橫截面芯材，其橫截面的寬度由上述實驗材料配比決定，寬厚比維持在10左右以達到較好的力學(xué)性能[4]。整個芯板總長2 000 mm，工作段長度1 430 mm，設(shè)置85 mm左右的過渡段，減少集中應(yīng)力現(xiàn)象，防止端部發(fā)生屈曲破壞。

2 有限元模型的建立

2.1 建立模型

在繪制結(jié)構(gòu)3D模型時，考慮到有限元軟件建模的眾多不便之處，考慮使用Unigraphics NX(以下簡稱UG)來實現(xiàn)三維實體建模，模型建立如圖2(a)所示，模型另存為“.Step”文件，再使用ANSYS Workbench導(dǎo)入幾何結(jié)構(gòu)模塊(Geometry)，進入模型模塊(Model)，得到如圖2(b)所示的模型。

圖1 組合芯材結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

圖2 組合芯材模型

2.2 定義材料屬性

本文介紹的結(jié)構(gòu)模型是由一塊長的阻尼鋼上下焊接兩塊短的軟鋼LY160組成，故需要定義兩種材料屬性，編輯材料庫添加新材料，分別定義兩種材料的密度、彈性、塑性，經(jīng)過查閱相關(guān)文獻得到LY160的材料屬性[5]，以及前期對這種新型阻尼鋼做的準(zhǔn)靜態(tài)試驗和低周疲勞試驗得到的材料屬性，得到如表2數(shù)據(jù)所示。

表2 LY160和熱軋抗震阻尼鋼材料屬性

2.3 定義接觸與劃分網(wǎng)格

建立模型需要考慮兩種材料的接觸問題，考慮到三塊鋼板是靠焊接連接在一起，故在連接模塊里設(shè)置綁定接觸來模擬三者之間的關(guān)系，至于芯材與外套筒之間的接觸，由于防屈曲支撐的設(shè)計一般都會在芯材和約束結(jié)構(gòu)之間設(shè)置無粘結(jié)層來減小摩擦，避免芯材因受壓膨脹后與約束單元間產(chǎn)生摩擦力而造成軸壓力的大量增加，故該模型通過設(shè)置無摩擦接觸來模擬該類情況。

劃分網(wǎng)格模塊選擇自動生成即可，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 組合芯材模型網(wǎng)格劃分

2.4 設(shè)置邊界條件與加載制度

考慮到防屈曲支撐的工作原理，考慮將支撐的一面固定，另一面添加荷載，故在主模塊中將一端設(shè)置固定約束。模型載荷的加載方式分為單向加載壓力載荷和低周反復(fù)位移加載[6]，如果考慮使用單向加載力的載荷，支撐發(fā)生屈曲會導(dǎo)致切線剛度矩陣斜率為非正值，從而導(dǎo)致非線性計算非常復(fù)雜繁瑣，故采取加載位移的方式來克服非線性不收斂的問題[7]。因此將基本設(shè)置中設(shè)置步長數(shù)為20，添加位移載荷，以5 mm為起點，每一級的軸向位移設(shè)置步進設(shè)置為5 mm(含正負，即模擬拉壓試驗)，最大位移載荷絕對值為50 mm，如圖4所示。

圖4 軸向位移加載制度

2.5 屈曲模態(tài)分析與引入初始缺陷

由于防屈曲支撐出廠后會有一定的初始缺陷，因此引入初始缺陷可以使仿真模擬更加的精確。因此對支撐進行六階屈曲模態(tài)分析，得到相應(yīng)的特征值，由于一階模態(tài)起主要作用，因此取一階模態(tài)臨界載荷的1%作為初始缺陷[8]。

3 有限元結(jié)果的分析

3.1 兩種材料對于整體結(jié)構(gòu)性能的影響分析

做完五組仿真模擬后，發(fā)現(xiàn)阻尼鋼比重為80%以及軟鋼為80%的兩組模擬仿真的結(jié)果與其他幾組有較大的差異，所以考慮到這兩組實驗單一材料的比重較大，某種材料對于整體試驗結(jié)果產(chǎn)生了較大影響，從而影響了試驗結(jié)果。例如軟鋼配比為80%的實驗組，由于LY160的鋼材具有延性差、承載力低的缺點，但其具有低屈服點的優(yōu)點，可以使芯材很快進入屈服階段，所以這組芯材在很低的位移載荷下便損壞失效，無法達到良好的抗震效果，仿真中損壞情況見圖5。

圖5 軟鋼占比為80%的芯材仿真模擬損壞情況

另一組阻尼鋼占比為80%的芯材，仿真模擬后試件無損壞情況，但是根據(jù)結(jié)果輸出的滯回曲線具有較明顯的滑移現(xiàn)象，不夠飽滿，見圖6。因此得出其吸收振動能量的能力較差，這與阻尼鋼較高的屈服點不無干系，當(dāng)芯材長期處于彈性階段時，支撐無法通過塑性變形散熱耗能，但該類阻尼鋼具有延性好，承載力強的特點，可以在強震下保證支撐不失穩(wěn)破壞。

圖6 阻尼鋼占比為80%芯材滯回曲線

3.2 等效應(yīng)力應(yīng)變與整體變形分析

探究該類防屈曲支撐在低周往復(fù)位移加載下，兩種芯板所收到的應(yīng)力應(yīng)變情況以及整體的變形情況，由于防屈曲支撐連接段會最先產(chǎn)生集中應(yīng)力從而導(dǎo)致芯材的失穩(wěn)損壞，故連接段是仿真模擬主要考察的對象，本節(jié)以阻尼鋼配比為50%的實驗組為例，仿真模擬輸出等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及整體變形的連接段云圖，見圖7。

圖7 阻尼鋼占比為50%的芯材連接段云圖

該模型模擬至結(jié)束計算收斂，未發(fā)生明顯的破壞，見圖7(c)，施加荷載的位置整體變形較大，在工作段的端部變形處于過渡階段，易發(fā)生頸縮現(xiàn)象，見圖7(a)、圖7(b)，此外熱軋抗震阻尼鋼的芯板上的應(yīng)力應(yīng)變要遠高于軟鋼LY160，應(yīng)力應(yīng)變最大段主要集中在端部頸縮位置，最大應(yīng)力達到465 MPa以上。另外芯材尤其是主要工作段應(yīng)力分布均勻，核心構(gòu)件實現(xiàn)全截面屈服狀態(tài)。

3.3 滯回曲線對比分析

在上一章提到阻尼鋼占比為80%以及軟鋼為80%的兩組模擬仿真由于材料之間協(xié)同作用不夠明顯，單一材料性質(zhì)影響了整個芯材的性能，故本節(jié)只討論剩下三種試件性能。圖8中三組滯回曲線，分析至最后一個載荷步時計算收斂，承載力大小分別達到1 307 kN、1 899 kN以及1 580 kN，三組滯回曲線形狀飽滿，無明顯滑移現(xiàn)象，支撐具有較好的耗能性。分析三組滯回曲線可得該類支撐具有較好的延性，可以達到10～14以上，整體表現(xiàn)出良好的耗能性，見圖8(a)，當(dāng)阻尼鋼占比較小時，芯材進入屈服階段越快，耗能效率越高，由于芯材應(yīng)變硬化以及支撐構(gòu)件的環(huán)箍效應(yīng)，隨著軸向位移載荷的加載，承載力逐漸提高，延性較好，采用的低屈服點鋼LY160發(fā)揮了一定的作用，但承載力仍不及后面兩組模擬。對比圖8(a)和圖8(b)，其連續(xù)均勻的抗彎剛度使芯材發(fā)生高階屈曲變形，提高了支撐整體失穩(wěn)臨界載荷。由圖8(b)、圖8(c)可見，當(dāng)阻尼鋼占比提高時則表現(xiàn)出較好的承載力，但由于阻尼鋼占比65%橫截面略小于阻尼鋼占比50%芯材，故導(dǎo)致整體的承載力有所下降。

圖8 各組芯材的滯回曲線對比

4 結(jié) 論

(1) 如果兩種材料配比相差過大容易導(dǎo)致整體芯材趨向于性能的單一性，單一材料占比盡量控制在25%～35%以上。

(2) 該類新型防屈曲支撐整體受力均勻，熱軋抗震阻尼鋼的芯板承擔(dān)了更大的應(yīng)力應(yīng)變，耗能過程中，工作段端部有集中應(yīng)力產(chǎn)生，從而導(dǎo)致了支撐工作時的頸縮現(xiàn)象，受到拉壓力過大可能會導(dǎo)致端部屈曲損壞。

(3) 芯材使用的的兩種材料具有不同的性質(zhì)，鋼材LY160具有較低的屈服點，可以使芯材快速進入屈服階段，提高耗能效率；熱軋抗震阻尼鋼具有較高的強度和韌性，提高芯材的累計塑性變形的能力。

(4) 經(jīng)過有限元分析，本文提出的五種方案中，阻尼鋼占比為50%和65%的方案具有更高的承載力和更好的累計塑性變形的能力，阻尼鋼占比為35%的方案可以實現(xiàn)快速屈服耗能的優(yōu)勢，亦可滿足一定的工程指標(biāo)，另外熱軋抗震阻尼鋼成本較高，在保證標(biāo)準(zhǔn)的條件下，適當(dāng)降低阻尼鋼的占比也應(yīng)當(dāng)考慮。