基于ABAQUS對(duì)自復(fù)位防屈曲支撐簡化模型驗(yàn)證與參數(shù)分析

摘要：防屈曲支撐在大震下不易屈曲且耗能能力優(yōu)秀，現(xiàn)廣泛用于高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)。但其耗能機(jī)制導(dǎo)致支撐震后殘余變形過大，不利于震后修復(fù)工作的開展。故對(duì)防屈曲支撐增設(shè)自復(fù)位系統(tǒng)，以大幅度降低其殘余變形。由于自復(fù)位防屈曲支撐獨(dú)特的“旗形”滯回模型導(dǎo)致其模型復(fù)雜且計(jì)算量過大，不便應(yīng)用于實(shí)際工程中。針對(duì)以上問題，首先通過桿單元和非線性彈簧疊加建立了自復(fù)位防屈曲支撐簡化模型并驗(yàn)證了該簡化模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，通過參數(shù)分析得到了各類實(shí)際參數(shù)取值對(duì)自復(fù)位防屈曲支撐承載力、自復(fù)位能力的影響效果。

關(guān)鍵詞：自復(fù)位防屈曲支撐 簡化模型 參數(shù)分析 殘余變形

Verification and Parameter Analysis of a Simplified Model for Self Resetting Buckling Restrained Brace Based on ABAQUS

LIU Weibo

Anhui Provincial Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230031 China

Abstract： Buckling restrained brace is not prone to buckling under strong earthquakes and have excellent energy dissipation capabilities. They are now widely used in structures in high-intensity areas. However， its energy dissipation mechanism leads to excessive residual deformation of the support after the earthquake， which is not conducive to the development of post earthquake repair work. Therefore， a self resetting system is added to buckling restrained brace to significantly reduce its residual deformation. Due to the unique "flag shaped" hysteresis model of self resetting buckling restrained brace， its model is complex and computationally intensive， making it inconvenient to apply to practical engineering problems. This article addresses the above issues by first establishing a simplified model of self resetting buckling restrained brace through the superposition of rod elements and nonlinear springs， and verifying the feasibility of the simplified model. On this basis， this article obtained the influence of various actual parameter values on the bearing capacity and self resetting ability of self resetting buckling restrained brace through parameter analysis.

Key Words： Self resetting buckling restrained brace; Simplified model; Parameter analysis; Residual deformation

近年來，全球地震頻發(fā)，在大震情況下各國學(xué)者發(fā)現(xiàn)普通支撐易提前發(fā)生屈曲，進(jìn)而喪失承載力。為此，有學(xué)者于普通支撐外側(cè)增加相應(yīng)約束構(gòu)件形成防屈曲支撐，其內(nèi)部為普通鋼板支撐，約束構(gòu)件能夠防止鋼板支撐過早發(fā)生屈曲。防屈曲支撐大震下不屈曲，并為結(jié)構(gòu)體系提供耗能能力。但其耗能機(jī)制為其內(nèi)部鋼板支撐發(fā)生屈服而不屈曲，此機(jī)制決定了該支撐震后殘余變形過大，不利于震后修復(fù)工作開展。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用對(duì)防屈曲支撐增設(shè)自復(fù)位裝置形成自復(fù)位防屈曲支撐[1-2]以解決此問題。

對(duì)于自復(fù)位防屈曲支撐，當(dāng)前對(duì)于其有限元模擬較多采用殼單元[3]。該建模方式優(yōu)點(diǎn)在于可精細(xì)化模擬出支撐形狀特點(diǎn)并且能夠得到較為準(zhǔn)確的支撐滯回模型，但其缺點(diǎn)在于模擬過于復(fù)雜，不易收斂且計(jì)算量龐大。因此，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，采用殼單元進(jìn)行自復(fù)位防屈曲支撐建模缺少可操作性。為解決現(xiàn)有建模方式過于復(fù)雜的問題，本文通過ABAQUS中的彈簧單元與桿單元進(jìn)行組合建立了自復(fù)位防屈曲支撐簡化模型，并得到其特有的“旗形”滯回曲線。同時(shí)，本文通過改變自復(fù)位防屈曲支撐中的影響參數(shù)，設(shè)計(jì)8組算例進(jìn)行參數(shù)分析，以此得出了這些參數(shù)對(duì)于支撐承載力和復(fù)位能力的影響。

1算例設(shè)計(jì)

在以往國內(nèi)外學(xué)者研究中可知，影響自復(fù)位防屈曲支撐復(fù)位性能的關(guān)鍵參數(shù)為復(fù)位比率[2]，該參數(shù)定義為支撐自復(fù)位系統(tǒng)初始預(yù)應(yīng)力與其鋼板支撐承載力的比值，具體如式（1）。其中：為考慮摩擦效應(yīng)的受壓承載力調(diào)整系數(shù)；為考慮應(yīng)變硬化效應(yīng)的承載力調(diào)整系數(shù)；為防屈曲支撐所用鋼板內(nèi)芯的屈服應(yīng)力；為鋼板截面面積。復(fù)位比率僅可直觀地反映出自復(fù)位防屈曲支撐的復(fù)位性能，其對(duì)支撐耗能能力的反應(yīng)并不直觀，因此并不能通過復(fù)位比率的大小來判斷出支撐耗能能力的強(qiáng)弱。

據(jù)復(fù)位比率定義式可知：實(shí)際應(yīng)用中影響自復(fù)位防屈曲支撐復(fù)位性能的可調(diào)整參數(shù)具體為3個(gè)，其分別是鋼板支撐截面面積、鋼板支撐強(qiáng)度和自復(fù)位系統(tǒng)初始預(yù)應(yīng)力大小。因此，本文通過調(diào)節(jié)此，3項(xiàng)參數(shù)共設(shè)計(jì)了8組算例，同時(shí)為體現(xiàn)出自復(fù)位防屈曲支撐獨(dú)有的特性而增設(shè)了1組防屈曲支撐算例進(jìn)行對(duì)比分析，各支撐算例參數(shù)如表1所示。所有算例支撐長度均取1 200 mm以避免支撐長度的影響。

2 有限元模型的建立

對(duì)于傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)來說，在ABAQUS建模過程中，選取正確的材料本構(gòu)關(guān)系是關(guān)鍵步驟。但對(duì)于自復(fù)位防屈曲支撐而言，在ABAQUS中并無其獨(dú)特的“旗形”本構(gòu)模型。故本文采用疊加的思路，即對(duì)桿單元采用混合強(qiáng)化模型[4]來模擬防屈曲支撐，同時(shí)采用非線性彈簧單元來模擬相應(yīng)的自復(fù)位系統(tǒng)部分。ABAQUS中所建立的自復(fù)位防屈曲支撐模型如下圖1所示。

防屈曲支撐所采用混合強(qiáng)化模型須輸入屈服應(yīng)力、強(qiáng)化參數(shù)、強(qiáng)化參數(shù)、等向應(yīng)力equiv stress、最大增加應(yīng)力以及強(qiáng)化參數(shù)b，本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]將各強(qiáng)化參數(shù)取值為C1=2 000 MPa ，=37，=10 MPa，。

自復(fù)位系統(tǒng)部分采用非線性彈簧進(jìn)行建立。該建立流程為以下步驟：（1）對(duì)已建立完成的防屈曲支撐模型賦予線性彈簧屬性；（2）改寫ABAQUS所產(chǎn)生inp文件中的彈簧參數(shù)，將線性彈簧參數(shù)修改為所設(shè)定的自復(fù)位系統(tǒng)受力特性參數(shù)。通過以上兩個(gè)步驟，便可于ABAQUS中實(shí)現(xiàn)非線性彈簧功能。本文所建立的所有算例中均未設(shè)置阻尼系數(shù)來考慮實(shí)際中所存在的摩擦問題。

本文的加載制度采用水平往復(fù)加載。加載曲線第一階段為循環(huán)加載至100 mm，每級(jí)加載增量為8 mm，初始加載幅值為4 mm，循環(huán)一圈；第二階段為60 mm幅值，循環(huán)5圈。該加載制度所得支撐累計(jì)塑性變形較大，滿足傳統(tǒng)防屈曲支撐試驗(yàn)所規(guī)定的累計(jì)塑性變形需求[5]。

3 模擬結(jié)果分析

自復(fù)位防屈曲支撐模型和防屈曲支撐模型經(jīng)過循環(huán)加載所得滯回曲線結(jié)果如圖2所示。

從自復(fù)位防屈曲支撐有限元模型的模擬結(jié)果可知，本文所采用的簡化模型均表現(xiàn)出支撐所特有的“旗形”滯回曲線，故說明采用非線性彈簧結(jié)合桿單元能夠有效模擬出自復(fù)位防屈曲支撐構(gòu)件。同時(shí)，可知該支撐模型循環(huán)加載所得滯回曲線飽滿，獨(dú)特的“旗形”滯回曲線表明該支撐在大位移下所產(chǎn)生的殘余變形較小。

根據(jù)圖2（a）可知：同位移下算例SCBRB2承載力最大為689.451 kN，而算例SCBRB3承載力相對(duì)最小為587.676 kN；SCBRB1殘余變形最小而SCBRB4殘余變形最大，其最大殘余變形分別為4.9365b618f1cadf8b8f98a3b129bae33ffea97d0de255e42481d34f7cf46b9ed4c3 mm和25.64 mm。同一鋼板支撐截面下預(yù)應(yīng)力增大或鋼板強(qiáng)度等級(jí)增強(qiáng)均會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件承載力增加，而同一鋼板支撐截面下，增大預(yù)應(yīng)力或采用Q235鋼板材質(zhì)均能夠減小結(jié)構(gòu)殘余變形。

根據(jù)圖2（b）可知：同位移下SCBRB6承載力最大而算例SCBRB7承載力最??；SCBRB5殘余變形最小而SCBRB8殘余變形最大。

對(duì)比圖2（a）和2（b）可知：在自復(fù)位系統(tǒng)預(yù)壓力和鋼板強(qiáng)度等級(jí)均相同的情況下，增大鋼板支撐截面面積會(huì)增強(qiáng)支撐整體耗能能力且降低其自復(fù)位性能。

由圖2（b）可知：對(duì)防屈曲支撐增加自復(fù)位裝置從而形成自復(fù)位防屈曲支撐能夠大幅提高支撐整體承載力，同時(shí)在合理搭配初始預(yù)應(yīng)力的情況下能夠使支撐殘余變形降低到一個(gè)較小值，從而便于后續(xù)結(jié)構(gòu)修復(fù)[6]。

4 結(jié)語

本文在ABAQUS中通過對(duì)桿系單元施加非線性彈簧有效地模擬出了自復(fù)位防屈曲支撐的“旗形”滯回曲線，驗(yàn)證了該簡化模擬方法的可行性。并通過ABAQUS對(duì)采用不同鋼板支撐截面面積、自復(fù)位系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力和鋼板強(qiáng)度等級(jí)的自復(fù)位防屈曲支撐進(jìn)行參數(shù)分析，所得具體結(jié)論如下。

（1）在ABAQUS中通過對(duì)桿單元增設(shè)非線性彈簧可模擬出自復(fù)位防屈曲支撐的簡化模型，其具有獨(dú)特的“旗形”滯回曲線且便于工程實(shí)際使用。

（2）增大鋼板支撐截面面積、增大自復(fù)位系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力、增強(qiáng)鋼板支撐材質(zhì)均可增大支撐承載力；反之；則會(huì)減小支撐承載力。

（3）減小鋼板支撐截面面積、增大自復(fù)位系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力或降低鋼板支撐材質(zhì)均可減小支撐大位移下的殘余變形，反之則會(huì)增大支撐殘余變形。支撐殘余變形與自復(fù)位系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力密切相關(guān)。

（4）對(duì)比防屈曲支撐，自復(fù)位防屈曲支撐因增設(shè)了自復(fù)位系統(tǒng)而大幅度提高了支撐承載能力，同時(shí)在不削減支撐耗能能力的情況下大幅度降低了支撐的殘余變形，為震后整體結(jié)構(gòu)的矯正修復(fù)提供了便利。

參考文獻(xiàn)

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