碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐力學(xué)性能分析與數(shù)值模擬

戴首昆,張 瑤,包智博,李冠奕,魯軍凱

(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江,哈爾濱 150040)

0 引 言

防屈曲支撐[1-5]是一種應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的抗側(cè)力耗能減震構(gòu)件,其可在小震下像普通支撐一樣給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,而在中震或大震下,防屈曲支撐可在拉壓作用下實(shí)現(xiàn)屈服而不發(fā)生屈曲,進(jìn)而減小主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。然而,防屈曲支撐是通過耗能內(nèi)芯的彈塑性變形消耗地震能量,使得結(jié)構(gòu)在震后可能會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形,影響結(jié)構(gòu)的使用。為此,有關(guān)學(xué)者提出了一種新型自復(fù)位耗能支撐,其不僅有較強(qiáng)的耗能能力,還具有較好的自恢復(fù)特性,可減小結(jié)構(gòu)在震后的殘余變形。

Zhu等[6]對自復(fù)位摩擦耗能支撐框架(RHDBF)及防屈曲支撐框架(BRBF)的抗震性能進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明相比于BRBF,RHDBF可有效減少結(jié)構(gòu)的殘余變形。黃海濤等[7]提出了一種采用組合熱軋角鋼設(shè)計(jì)的自復(fù)位支撐,試驗(yàn)表明該種組合熱軋角鋼防屈曲支撐構(gòu)造合理,能夠滿足建筑對抗震性能的需求。在Miller等[8]提出的自復(fù)位支撐中,其利用玄武巖纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼絞線。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),提高初始預(yù)應(yīng)力及復(fù)位筋截面積可有效提高支撐的復(fù)位效果。劉璐等[9]針對其提出的自復(fù)位防屈曲支撐給出了預(yù)應(yīng)力及變形需求等參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。劉洋濤[10]基于預(yù)壓碟簧構(gòu)建了一種新型自復(fù)位防屈曲支撐,并通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究了復(fù)位比率、殘余變形等參數(shù)對支撐滯回性能的影響。

針對傳統(tǒng)自復(fù)位防屈曲支撐無法充分發(fā)揮支撐內(nèi)芯的耗能能力,且變形能力不足等問題,提出一種由碟簧-鋼絞線復(fù)位系統(tǒng)提供自復(fù)位能力,型鋼圓管實(shí)現(xiàn)耗能特性的碟簧-鋼絞線自復(fù)位支撐。通過有限元軟件對其進(jìn)行數(shù)值仿真并進(jìn)行受力分析,研究復(fù)位比率、剛度比等參數(shù)對支撐復(fù)位性能、滯回特性及耗能能力的影響。

1 碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐

1.1 碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐構(gòu)造

基于傳統(tǒng)自復(fù)位支撐由于鋼絞線變形能力較差,無法充分發(fā)揮支撐的耗能能力,而使用形狀記憶合金等材料的自復(fù)位系統(tǒng)造價(jià)較高等問題,提出一種碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐。其主要由支撐內(nèi)芯、加勁肋、推拉板、錨固板、約束鋼管、鋼絞線、碟簧及內(nèi)外套管組成。該支撐的耗能系統(tǒng)主要由支撐內(nèi)芯及約束鋼管組成,且內(nèi)芯與約束鋼管之間存在一定的間隙,從而避免支撐內(nèi)芯受壓時(shí)與約束構(gòu)件發(fā)生擠壓。支撐的自復(fù)位系統(tǒng)由碟簧、鋼絞線、內(nèi)外套管及推拉板組成。碟簧與鋼絞線串聯(lián),并通過施加預(yù)壓(拉)力給支撐提供復(fù)位力,其中碟簧位于兩個(gè)推拉板之間并環(huán)繞布置于約束鋼管外側(cè),其組合形式為疊合與對合(每兩個(gè)碟簧疊合后再與另一組碟簧對合),而鋼絞線兩端分別與錨固板及推拉板固定連接。內(nèi)、外套管主要作用是在支撐受壓時(shí)推動(dòng)兩側(cè)錨固板發(fā)生外移,因此內(nèi)、外套管(內(nèi)管左側(cè)、外管右側(cè))分別與左、右兩側(cè)的加勁肋固定連接。

碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐的工作機(jī)理:當(dāng)支撐受拉時(shí),兩側(cè)錨固板位置隨加勁肋的外移相互遠(yuǎn)離,鋼絞線隨錨固板外移受拉變形增加,碟簧由于兩側(cè)推拉板的相互靠近受壓變形增加。當(dāng)支撐受壓時(shí),與加勁肋固接的內(nèi)、外套管將發(fā)生相對移動(dòng),同樣使兩側(cè)的錨固板相互遠(yuǎn)離,進(jìn)而使鋼絞線及碟簧分別發(fā)生受拉、受壓變形。

1.2 碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐力學(xué)性能分析

復(fù)位比率αSC是衡量支撐復(fù)位能力的一項(xiàng)重要指標(biāo),文獻(xiàn)[11]給出了復(fù)位比率的合理設(shè)計(jì)值應(yīng)在0.5～1.5之間,αSC的計(jì)算公式為

(1)

式中:F0為自復(fù)位系統(tǒng)的初始預(yù)拉(壓)力;fcy為防屈曲支撐耗能內(nèi)心的屈服應(yīng)力;σ0為自復(fù)位系統(tǒng)的初始預(yù)拉(壓)應(yīng)力;Ast為鋼絞線的截面面積;Ac為耗能內(nèi)芯的橫截面積;ω為防屈曲支撐應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù);β為防屈曲支撐拉壓不平衡系數(shù)。

耗散性能是衡量支撐耗能能力的一項(xiàng)重要指標(biāo),能量耗散系數(shù)Ψ的計(jì)算公式為

(2)

碟簧-鋼絞線自復(fù)位支撐的剛度比K為

(3)

式中:E1為鋼絞線的彈性模量;A1為鋼絞線的橫截面積;L1為鋼絞線的長度;G2為碟簧組的剛度。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用有限元分析軟件Abaqus建模分析。支撐內(nèi)芯邊界條件為簡支,支撐總長度為4 000 mm。支撐內(nèi)芯、約束鋼管、內(nèi)外套管均采用8節(jié)點(diǎn)的減縮積分實(shí)體單元C3D8R,碟簧采用4節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元S4R,鋼絞線為2節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2。支撐內(nèi)芯、內(nèi)、外套管均采用雙線性本構(gòu)模型。支撐內(nèi)芯、約束鋼管、內(nèi)外套管、碟簧等彈性模量E=2.0×105MPa,鋼絞線彈性模量Es=1.9×105MPa。支撐內(nèi)芯及內(nèi)外套管等材料的屈服強(qiáng)度分別為fyc=260 MPa及fyt=300 MPa,支撐內(nèi)芯與約束鋼管之間僅考慮法向接觸,碟簧之間的相互作用通過耦合(Coupling)模擬,鋼絞線則通過綁定(Tie)與錨固板進(jìn)行固定連接。支撐軸向荷載通過兩個(gè)布置于內(nèi)芯端部形心處的兩個(gè)參考點(diǎn)施加,參考點(diǎn)與內(nèi)芯端部耦合連接。

2.2 有限元結(jié)果分析

(1)復(fù)位比率對碟簧-鋼絞線自復(fù)位支撐受力性能的影響。

圖1中5種工況下各支撐的滯回曲線均出現(xiàn)明顯的對稱“旗型”特征,支撐加載時(shí)呈現(xiàn)雙折線關(guān)系,卸載時(shí)殘余變形極小,說明該碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐具有良好的耗能能力及自復(fù)位特性。此外,隨著復(fù)位比率的增加,滯回曲線中的兩個(gè)“旗幟”圖形逐漸背離,說明碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐的自復(fù)位特性隨著復(fù)位比的增加而提高。由復(fù)位比率的定義可知,隨著復(fù)位比率的增加,復(fù)位系統(tǒng)提供給支撐的復(fù)位力隨之增加,進(jìn)而提高了支撐的自恢復(fù)性。圖2給出了各支撐能量耗散系數(shù)與復(fù)位比率的關(guān)系曲線?？梢?隨著復(fù)位比率的提高,支撐的耗能能力逐漸降低,降幅約為12.7%。

圖1 αsc對支撐滯回性能影響

圖2 能量耗散系數(shù)-αsc關(guān)系曲線

(2)剛度比對支撐滯回性能的影響。

圖3中給出剛度比為0.7、1.0、1.3、1.5、1.7的五個(gè)支撐滯回曲線,五個(gè)曲線均有明顯對稱的“旗型”特征,在加載及卸載過程中呈現(xiàn)雙折線與三折線特性,支撐恢復(fù)力為0時(shí)的殘余變形不到0.5 mm?？梢娫摰?鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐具有良好的耗能能力及自復(fù)位特性。此外,隨著剛度比的增加,滯回曲線中“旗幟”圖形的背離情況愈發(fā)明顯,說明碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐的自復(fù)位特性隨著剛度比的增加而提高。圖4給出了各支撐能量耗散系數(shù)與剛度比的關(guān)系曲線?？梢?隨著剛度比的增加,支撐的耗能能力逐漸降低,降幅約為21.1%。

圖3 剛度比對支撐滯回性能影響

圖4 能量耗散系數(shù)-剛度比相關(guān)曲線

3 結(jié) 論

提出一種由碟簧-鋼絞線復(fù)位系統(tǒng)提供自復(fù)位能力,型鋼圓管實(shí)現(xiàn)耗能特性的碟簧-鋼絞線自復(fù)位支撐,并基于通用有限元分析軟件Abaqus完成建模分析。研究結(jié)果表明,該支撐在往復(fù)加載過程中滯回曲線呈現(xiàn)飽滿的“旗型”特性,具有穩(wěn)定的耗能能力,較好的自復(fù)位性能。碟簧-鋼絞線自復(fù)位防屈曲支撐的自復(fù)位性能隨著復(fù)位比及剛度比的增加而提高,耗能能力隨復(fù)位比及剛度比的增加而減少。