通过预应力筋实现自复位功能的防屈曲支撑性能分析

2020-08-12贾明明惠丽洁

科学技术创新 2020年24期

姜滨贾明明* 惠丽洁

（1、黑龙江省建筑设计研究院，黑龙江哈尔滨150008 2、哈尔滨工业大学，结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150090 3、哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090）

防屈曲支撑耗能能力强但震后残余变形大，易造成结构很大残余变形[1]。Miller 等人[2]以传统防屈曲支撑作为耗能元件，以形状记忆合金筋作复位材料合成一种自复位防屈曲支撑。此外，刘璐[3]和曾鹏[4]等则采用了常见的预应力钢绞线作为复位筋制作自复位防屈曲支撑，并通过试验和数值模拟分析了此类型支撑的滞回耗能和自复位能力。研究表明这一类型的自复位防屈曲支撑既能有效控制结构的最大地震响应，也具有良好的自复位能力。

虽然自复位防屈曲支撑能有效提高结构滞回耗能能力，减小结构的残余变形，但相关设计的影响因素尚不明确。在此基础上，本文通过有限元模拟对影响自复位防屈曲支撑滞回耗能和自复位能力的参数进行分析，以期能为自复位防屈曲支撑的设计提供帮助。

1 自复位防屈曲支撑构造形式

如图1 所示，自复位防屈曲支撑由两部分组成：防屈曲支撑（Buckling Restrained Brace，BRB）部分和自复位系统（Self-Centering System, SCS）。防屈曲支撑部分内核心采用一字板，约束单元采用混凝土和方钢管。将内核心单元的截面在端部进行放大，保证其与自复位系统的连接具有足够的强度和稳定性。自复位系统由中套管、外套管、左右端板和四根施加预应力的复位筋组成。内核心右端与中套管焊接，左端与外套管焊接，复位筋分别锚固在两块端板上，端板靠施加预应力的复位筋的轴向压力压在中套管和外套管上。

图1 自复位防屈曲支撑有限元模型

2 自复位防屈曲支撑有限元建模

自复位防屈曲支撑模型中约束混凝土采用C30 混凝土，采用考虑损伤的混凝土本构模型。钢材均采用Q235-B 钢，服从Von-Mises 屈服准则及相关流动性法则，本构模型选用双线性随动强化模型，强化模量为弹性模量的3%。复位筋采用预应力钢绞线，在破坏前的应力- 应变关系基本呈线性关系，依据《预应力混凝土用钢铰线（GB/T 5224-2014）》[5]，预应力钢绞线弹性模量E 为1.95×105MPa，温度线膨胀系数α 为1.2×105，钢绞线的弹性最大伸长率为0.8%左右，其他参数如表1 所示。

预应力钢绞线的参数表1。

采用ABAQUS建立自复位防屈曲支撑的有限元模型，其中内核心单元、约束混凝土、约束套管、中套管、外套管及两块端板均采用八节点线性减缩积分单元（即C3D8R）。预应力钢绞线只承受轴向拉力，采用T3D2 杆单元模拟。约束单元的方钢管与混凝土间、复位筋与端板间采用绑定（Tie）约束。约束混凝土与内核心钢板间，两端板分别和中套管、外套管之间建立面面接触（Surface-to-Surface Contact）。

3 自复位防屈曲支撑性能分析

自复位防屈曲支撑兼有普通防屈曲支撑和自复位支撑的优点，但对于自复位防屈曲支撑设计的影响因素尚不明确，对复位筋截面面积进行参数敏感性分析。以SCBRB-baseline 构件为基准，预应力复位筋总面积为560mm2，内核单元截面面积为800mm2。SCBRB-A 和 SCBRB-B 构件的复位筋面积分别为SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍，SCBRB-C和SCBRB-D构件的内核心截面面积分别为SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍。

当复位筋截面上应力保持不变时，增加复位筋截面面积相当于增加施加在支撑上的初始预应力。三种复位筋截面面积下BRB滞回曲线和各组成部件受力响应如图2 和图3 所示。结果表明，增加复位筋面积后，SCBRB的最大承载力和刚度也有较大的提升，耗能性能变差，而残余变形显著减小，支撑的自复位能力有了较大的提升。减小复位筋面积后，SCBRB的最大承载力和刚度随之减小，而支撑的残余变形增大，自复位能力减弱。同时，复位筋与内核心受力差值与复位筋截面面积呈正相关关系，其随复位筋面积的增大而增加，随复位筋面积的减小而减小。