一字形芯钢管混凝土防屈曲支撑分析研究

杨士萱，史三元，郝科语，王天龙

一字形芯钢管混凝土防屈曲支撑分析研究

杨士萱1，史三元1，郝科语2，王天龙1

（1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038；2.中国建筑一局有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518000）

利用有限元分析软件ANSYS对普通支撑和一字形钢管混凝土防屈曲支撑进行模态分析，通过对比两种支撑的模态云图和振型参数来研究加约束的一字型芯钢混防屈曲支撑的优劣势和临界荷载变化及其失稳的位置。分析一字形钢管混凝土防屈曲支撑的滞回耗能，防屈曲支撑的摩擦系数和填充混凝土的强度因素。得到以下结论：一字形芯更容易出现y轴方向的弯曲失稳，框架结构的刚度以及自振周期能够通过安装一字形钢混屈曲支撑而发生明显改变。

防屈曲支撑；ANSYS；屈曲模态分析；滞回性能；

防屈曲支撑(buckling-restrained brace，简称BRB)是一种新型的金属受拉和受压达到屈服的耗能支撑构件。目前，随着新型材料（例如FRP材料）的大规模应用，在防屈曲支撑中也得到应用。20世纪90年代后，各个国家和地区均相继开始了防屈曲支撑的相关研究分析[1-4]。近些年来，针对钢管混凝土式防屈曲支撑的参数、材料等很多方面进行了大量的研究[5-10]。目前，对于约束一字型钢管混凝土的防屈曲支撑的抗震性能还鲜有研究，本文通过利用ANSYS有限元软件，对本结构进行数值模拟。

1 研究方法

利用有限元分析软件ANSYS对防屈曲支撑进行模态分析，从而得出一字形钢管混凝土式防屈曲支撑和内芯的各项动力特性系数，然后利用模态分析得到特征值进行屈曲模态分析。

1.1 钢材本构关系

本文模型中的钢材为Q235钢，模拟钢材采用服从Von Mises屈服准则以及双线性随动强化材料模型。Q235钢屈材料属性参数见表1。

表1 Q235-A钢参数Tab.1 The material property of Q235-A steel

1.2 建立ANSYS模型

构建两个模型：支撑的核心部位为一字芯，长5 000 mm，宽400 mm，厚40 mm的一字型长方体钢芯，在仅有一字形钢芯时为普通支撑，将此支撑构建为模型301；在模型301的基础上加上外套为长4 000 mm，内直径为540 mm，厚为10 mm的钢管，一字芯与钢管中间部位填充混凝土，将此模型定义为模型302（见图1）。

图1 模型302结构图示Fig.1 The drawing of model 302

1.3 网格的划分

在有限元分析模拟中，网格划分会直接影响模型最后的分析精度及收敛性。划分结果如图2。

图2 划分网格结果Fig.2 The result of mesh generation

1.4 添加接触对

在前处理中添加接触对，对于目标单元设置接触单元为Targe170号单元，接触面设置为Conta174号单元，由于只进行模态分析，因此摩擦系数将不会影响分析结果，将摩擦系数设置为0。

1.5 添加约束

由于主要研究防屈曲支撑的轴向受力及其性能分析情况，因此这里释放支撑的轴向约束和约束另两个方向的约束。具体为分别对模型301、302两端施加Ux、Uy两个自由度的约束，释放z轴方向的自由度，使得支撑两端只能够在轴向产生位移。

在求解菜单Solution下找到Define Loads选项，选中Apply找到定义位移选项Displacement进行对支撑两端的约束。设置约束的方式是选中两端的节点进行点约束。

2 模态结果分析

模态分析（振型分析）通常用来计算求解结构的自振周期、频率和位移等动力学相关特性系数。要分析构件在地震中的作用，首先要进行模型分析，这类分析方法也是最常见的抗震分析方法。同时模态分析得到的结果可以为其在地震响应分析中提供依据，也是响应谱分析和反应谱分析的计算基础。

分别对不加约束的一字形芯和加约束之后的一字形钢混防屈曲支撑进行了分析，分别提取了两个模型前6阶段的模态数据，具体分析两个模型各阶级模态和振型参数。

对于一字形芯各阶级模态分析，在只有内芯的情况下，第二阶段一字形芯出现了x轴方向的弯曲变形，最大点出现在一字形芯的中间位置，此阶段中间位置容易破坏；在第三阶段时，一字形芯出现了y轴方向的变形，最大变形分别在距两个端点的四分之一处，第三阶段的位移要大于第二阶段，说明一字形芯更容易出现y轴方向的弯曲失稳；见图3和图4。

由图5、图6、图7比较分析可以得出，四阶模态出现x轴向变形，五、六阶模态出现y轴向变形，y轴向变形幅度要大于x轴向位移，说明y方向位移依然是弯曲失稳关键因素；另外由图6和7可以看出在五、六阶模态时均出现多波段屈曲。

图3 模型301的二阶模态图Fig.3 The nephogram of 301 in second modal

图4 模型301的三阶模态图Fig.4 The nephogram of 301 in third modal

图5 模型301的四阶模态图Fig.5 The nephogram of 301 in fourth modal

图6 模型301的五阶模态图Fig.6 The nephogram of 301 in fifth modal

图7 模型301的六阶模态图Fig.7 The nephogram of 301 in sixth modal

图8 模型302内芯的一阶模态图Fig.8 The nephogram of 302 inner pipe in first modal

在加约束的一字型芯钢混防屈曲支撑的模态图中不难看出，各模态阶段的位移位置发生了明显的变化，由图8可以看出，虽然最大位移位置仍然在中间位置，不过最大变形位置是在一字形芯和混凝土的连接处，一定程度上说明混凝土起到了应有的作用，达到了预期目的；相较于无约束的一字形芯而言，模型302第一、二阶模态的最大变形均远远小于模型301，最大位移也小于模型301，符合预期设计要求。通过观察模型302最大变形位置不难看出前两阶模态均出现在两端，这是值得注意的，应对两端的连接部位进行加强，防止局部屈曲。

由图9可见，支撑的第二阶段是扭转位移，最大变形处依然在混凝土与一字形芯的连接处，说明此处是模型302的薄弱处，在以后的设计研究中应该注意加强，防止两端局部屈曲。

由图10模型302第三阶模态图可以看出，此时的最大位移点为模型的中间位置，不过位移变形量远小于模型301，混凝土和外套管起到了非常大的作用，达到预期目标。

由图11、图12可以看出模型302内芯的第四、五阶模态的最大位移点均出现在内芯和混凝土的连接处。相对于模型301来说，变形位置出现变化，位移幅度也远远小于模型301。

3 屈曲模态分析

屈曲模态分析是在模态分析的基础上进行的，对比301和302模型发现，约束方式和模态分析一致，一端固接，一端释放z方向自由度；加载方式为在释放自由度端加载负向单位载荷力。

图9 模型302内芯的二阶模态图Fig.9 The nephogram of 302 inner pipe in second modal

图10 模型302内芯的三阶模态图Fig.10 The nephogram of 302 inner pipe in third modal

图11 模型302内芯的四阶模态图Fig.11 The nephogram of 302 inner pipe in fourth modal

由图13可以看出，模型301在一阶屈曲模态时最大位移点为中间位置，说明构件容易出现失稳情况；在二阶屈曲模态时最大位移点各为距两端点的1/3处，此后的几阶模态均为多波段屈曲。模型301变形尺寸过大，不利用构件的耗能分析。

图12 模型302内芯的五阶模态图Fig.12 The nephogram of 302 inner pipe in fifth modal

图13 模型302屈曲模态图Fig.13 The nephogram of model 302 buckling mode

屈曲模态分析可以计算出构件失稳时的临界荷载，本次施加的为单位载荷，因此屈曲分析一阶模态为构件的临界载荷。由表2和表3可以看出，一字芯的临界荷载为12.207E+05，而添加约束后的防屈曲支撑临界载荷为14.747E+06，承载力提高了12.08倍，说明约束起到非常大的作用，使得支撑的失稳性大大降低，临界载荷有了非常大的提升。不仅如此，在前六阶屈曲模态的振型中，模型302的性能均比模型301的有大幅度提升，说明防屈曲支撑确实具有非常大的优势。

表2 一字芯模型301各模态频率参数Tab.2 The each modal frequency parameters of model 301

表3 防屈曲支撑模型302各模态频率参数Tab.3 The each modal frequency parameters of BRB 302

4 结论

1）对于一字形芯各阶级模态分析，在只有内芯的情况下，第二阶段一字形芯出现了x轴方向的弯曲变形，最大点出现在一字形芯的中间位置，此阶段中间位置容易破坏；在第三阶段时，一字形芯出现了y轴方向的变形，最大变形分别在距两个端点的四分之一处，第三阶段的位移要大于第二阶段，说明一字形芯更容易出现y轴方向的弯曲失稳。

2）在加约束的一字型芯钢混防屈曲支撑模态图中，最大变形位置在一字形芯和混凝土的连接处，说明混凝土起到了应有的作用，达到了预期目的。

3）一字型芯的防屈曲支撑比普通支撑的周期小，频率大，说明构件的刚度得到了很大提升，增加了很大的强度。

4）加约束的一字型芯钢混防屈曲支撑的临界载荷提高了12.08倍，使得支撑失稳性大大降低，临界载荷有了非常大的提升。

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Analysis of the rectangle section BRB with concrete-filled tubes

YANG Shixuan1，SHI Sanyuan1，HAO Keyu2，WANG Tianlong1
(1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，P.R.China；2.China Construction Bureau co. Ltd. Shenzhen branch，Guangdong Shenzhen，518000，China)

The finite element analysis software (ANSYS) is used to carry out the modal analysis of the common brace and buckling restrained brace. The advantages and disadvantages of the two kinds of support modes are compared. On the basis of modal analysis, the buckling mode of the structure is analyzed. The critical load changes and instability position are also studied. The friction coefficient of the buckling restrained brace and the strength of the filled concrete are analyzed. The results show that the bending of the Y axis is easier to occur in one core, and the stiffness and the natural vibration period of the frame structure can be obviously changed by installing a steel shaped hybrid buckling brace.

buckling-restrained brace; ANSYS; buckling mode analysis; hysteretic performance

TU37

A

1673-9469（2017）03-0001-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.001

2017-07-03 特约专稿

国家自然科学基金资助项目(51174124）；河北省研究生创新项目(171290080015）；河北省教育厅青年基金资助项目(QN2014070)

杨士萱（1993-），女，河北保定人，硕士，主要从事钢结构、地下空间工程研究。