碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑力学性能分析与数值模拟

戴首昆,张 瑶,包智博,李冠奕,鲁军凯

(东北林业大学,黑龙江,哈尔滨 150040)

0 引 言

防屈曲支撑[1-5]是一种应用于建筑结构中的抗侧力耗能减震构件,其可在小震下像普通支撑一样给结构提供抗侧刚度,而在中震或大震下,防屈曲支撑可在拉压作用下实现屈服而不发生屈曲,进而减小主体结构的地震响应。然而,防屈曲支撑是通过耗能内芯的弹塑性变形消耗地震能量,使得结构在震后可能会产生较大的残余变形,影响结构的使用。为此,有关学者提出了一种新型自复位耗能支撑,其不仅有较强的耗能能力,还具有较好的自恢复特性,可减小结构在震后的残余变形。

Zhu等[6]对自复位摩擦耗能支撑框架(RHDBF)及防屈曲支撑框架(BRBF)的抗震性能进行了对比分析,结果表明相比于BRBF,RHDBF可有效减少结构的残余变形。黄海涛等[7]提出了一种采用组合热轧角钢设计的自复位支撑,试验表明该种组合热轧角钢防屈曲支撑构造合理,能够满足建筑对抗震性能的需求。在Miller等[8]提出的自复位支撑中,其利用玄武岩纤维代替传统的钢绞线。数值分析发现,提高初始预应力及复位筋截面积可有效提高支撑的复位效果。刘璐等[9]针对其提出的自复位防屈曲支撑给出了预应力及变形需求等参数的设计方法。刘洋涛[10]基于预压碟簧构建了一种新型自复位防屈曲支撑,并通过数值模拟及试验研究了复位比率、残余变形等参数对支撑滞回性能的影响。

针对传统自复位防屈曲支撑无法充分发挥支撑内芯的耗能能力,且变形能力不足等问题,提出一种由碟簧-钢绞线复位系统提供自复位能力,型钢圆管实现耗能特性的碟簧-钢绞线自复位支撑。通过有限元软件对其进行数值仿真并进行受力分析,研究复位比率、刚度比等参数对支撑复位性能、滞回特性及耗能能力的影响。

1 碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑

1.1 碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑构造

基于传统自复位支撑由于钢绞线变形能力较差,无法充分发挥支撑的耗能能力,而使用形状记忆合金等材料的自复位系统造价较高等问题,提出一种碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑。其主要由支撑内芯、加劲肋、推拉板、锚固板、约束钢管、钢绞线、碟簧及内外套管组成。该支撑的耗能系统主要由支撑内芯及约束钢管组成,且内芯与约束钢管之间存在一定的间隙,从而避免支撑内芯受压时与约束构件发生挤压。支撑的自复位系统由碟簧、钢绞线、内外套管及推拉板组成。碟簧与钢绞线串联,并通过施加预压(拉)力给支撑提供复位力,其中碟簧位于两个推拉板之间并环绕布置于约束钢管外侧,其组合形式为叠合与对合(每两个碟簧叠合后再与另一组碟簧对合),而钢绞线两端分别与锚固板及推拉板固定连接。内、外套管主要作用是在支撑受压时推动两侧锚固板发生外移,因此内、外套管(内管左侧、外管右侧)分别与左、右两侧的加劲肋固定连接。

碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑的工作机理:当支撑受拉时,两侧锚固板位置随加劲肋的外移相互远离,钢绞线随锚固板外移受拉变形增加,碟簧由于两侧推拉板的相互靠近受压变形增加。当支撑受压时,与加劲肋固接的内、外套管将发生相对移动,同样使两侧的锚固板相互远离,进而使钢绞线及碟簧分别发生受拉、受压变形。

1.2 碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑力学性能分析

复位比率αSC是衡量支撑复位能力的一项重要指标,文献[11]给出了复位比率的合理设计值应在0.5～1.5之间,αSC的计算公式为

(1)

式中:F0为自复位系统的初始预拉(压)力;fcy为防屈曲支撑耗能内心的屈服应力;σ0为自复位系统的初始预拉(压)应力;Ast为钢绞线的截面面积;Ac为耗能内芯的横截面积;ω为防屈曲支撑应变强化系数;β为防屈曲支撑拉压不平衡系数。

耗散性能是衡量支撑耗能能力的一项重要指标,能量耗散系数Ψ的计算公式为

(2)

碟簧-钢绞线自复位支撑的刚度比K为

(3)

式中:E1为钢绞线的弹性模量;A1为钢绞线的横截面积;L1为钢绞线的长度;G2为碟簧组的刚度。

2 数值模拟分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用有限元分析软件Abaqus建模分析。支撑内芯边界条件为简支,支撑总长度为4 000 mm。支撑内芯、约束钢管、内外套管均采用8节点的减缩积分实体单元C3D8R,碟簧采用4节点减缩积分壳单元S4R,钢绞线为2节点线性三维桁架单元T3D2。支撑内芯、内、外套管均采用双线性本构模型。支撑内芯、约束钢管、内外套管、碟簧等弹性模量E=2.0×105MPa,钢绞线弹性模量Es=1.9×105MPa。支撑内芯及内外套管等材料的屈服强度分别为fyc=260 MPa及fyt=300 MPa,支撑内芯与约束钢管之间仅考虑法向接触,碟簧之间的相互作用通过耦合(Coupling)模拟,钢绞线则通过绑定(Tie)与锚固板进行固定连接。支撑轴向荷载通过两个布置于内芯端部形心处的两个参考点施加,参考点与内芯端部耦合连接。

2.2 有限元结果分析

(1)复位比率对碟簧-钢绞线自复位支撑受力性能的影响。

图1中5种工况下各支撑的滞回曲线均出现明显的对称“旗型”特征,支撑加载时呈现双折线关系,卸载时残余变形极小,说明该碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑具有良好的耗能能力及自复位特性。此外,随着复位比率的增加,滞回曲线中的两个“旗帜”图形逐渐背离,说明碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑的自复位特性随着复位比的增加而提高。由复位比率的定义可知,随着复位比率的增加,复位系统提供给支撑的复位力随之增加,进而提高了支撑的自恢复性。图2给出了各支撑能量耗散系数与复位比率的关系曲线。可见,随着复位比率的提高,支撑的耗能能力逐渐降低,降幅约为12.7%。

图1 αsc对支撑滞回性能影响

图2 能量耗散系数-αsc关系曲线

(2)刚度比对支撑滞回性能的影响。

图3中给出刚度比为0.7、1.0、1.3、1.5、1.7的五个支撑滞回曲线,五个曲线均有明显对称的“旗型”特征,在加载及卸载过程中呈现双折线与三折线特性,支撑恢复力为0时的残余变形不到0.5 mm。可见该碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑具有良好的耗能能力及自复位特性。此外,随着刚度比的增加,滞回曲线中“旗帜”图形的背离情况愈发明显,说明碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑的自复位特性随着刚度比的增加而提高。图4给出了各支撑能量耗散系数与刚度比的关系曲线。可见,随着刚度比的增加,支撑的耗能能力逐渐降低,降幅约为21.1%。

图3 刚度比对支撑滞回性能影响

图4 能量耗散系数-刚度比相关曲线

3 结 论

提出一种由碟簧-钢绞线复位系统提供自复位能力,型钢圆管实现耗能特性的碟簧-钢绞线自复位支撑,并基于通用有限元分析软件Abaqus完成建模分析。研究结果表明,该支撑在往复加载过程中滞回曲线呈现饱满的“旗型”特性,具有稳定的耗能能力,较好的自复位性能。碟簧-钢绞线自复位防屈曲支撑的自复位性能随着复位比及刚度比的增加而提高,耗能能力随复位比及刚度比的增加而减少。