位移放大型自复位防屈曲支撑滞回性能分析与数值模拟

张路平,尚朝阳,陈麒丞,张浩宇,鲁军凯

(东北林业大学,黑龙江,哈尔滨 150040)

1 引 言

防屈曲支撑由于具有良好的抗震性能和耗能能力,被广泛应用于工程中[1]。其不仅可为结构提供有效的抗侧刚度,同时亦可在地震作用下减少结构的整体响应和损伤[2-4]。国内外学者已就普通防屈曲支撑的约束机理、耗能机理和失效机理[5,6]等进行了充分的研究和论证。然而,装有普通防屈曲支撑的结构在遭遇中震和大震后可能会产生较大的残余变形,导致修复代价极为高昂。近年来引起众多学者广泛关注的自复位耗能支撑不仅具有较好的耗能能力,同时兼具极佳的自恢复特性,可减小结构在震后的残余变形。

近年来,国内外学者基于性能化地震工程的发展需求[7],提出了多种具有自复位功能的耗能支撑。Miller等[8]于2011年将形状记忆合金绞线与普通钢索相连构成的自复位系统与防屈曲支撑组合而成自复位防屈曲支撑并完成试验研究。刘璐等[9]于2012年提出一种预应力钢绞线式自复位防屈曲支撑,试验研究结果表明自复位防屈曲支撑的轴向变形能力受到预应力钢绞线弹性变形能力的限制。周中哲等[10]于2012年提出一种双核心自复位支撑,并通过试验证明该支撑具有较好的滞回性能及耗能能力。曾鹏等[11]于2013年将串联的钢绞线引入全钢防屈曲支撑,提出一种位移放大型全钢自复位防屈曲支撑,该支撑利用两束串联的预应力筋构成自复位系统,以保证提高自复位防屈曲支撑的轴向变形能力。

尽管传统的预应力钢筋线自复位防屈曲支撑可以减小结构的残余变形,但却受限于较差的钢绞线弹性变形能力而无法充分发挥支撑的耗能能力。依托于国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:202110225164),提出一种位移放大型自复位防屈曲支撑,通过数值仿真研究初始预应力、复位筋种类和弹性模量等几个主要因素对支撑滞回性能的影响。

2 位移放大型自复位防屈曲支撑的提出

如图1所示,位移放大型自复位防屈曲支撑由防屈曲支撑和自复位系统两部分组成。防屈曲系统有内、外约束套管,内套管为方形矩形截面,对耗能内芯起到约束和支撑的作用,防止受压时出现过早面外屈曲。一字形耗能内芯包括中间削弱部分的屈服段和两端截面扩大的非屈服段,同时在屈服段和非屈服段之间为光滑过渡段以减少应力集中。自复位系统由8根预应力筋、外端板和内端板组成。两侧端板均是十字形槽孔,以便左右十字形连接件受到压力时顺利通过,从而使预应力筋产生复位拉力。

图1 位移放大型自复位防屈曲支撑组装示意图

3 有限元模型建立

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、约束套管、中套管、外套管及两块端板均采用八节点线性六面体的减缩积分单元(C3D8R)。预应力钢绞线采用杆单元模拟(T3D2)。自复位系统所用复位筋材料均采用双折线弹塑性模型,如图2所示,屈服后刚度Es取为1%弹性模量。其中fy和εy分别为屈服应力和屈服应变,fu和εu为极限应力和极限应变,E0为弹性模量,E0= 20 GPa。

图2 钢材本构关系

支撑内芯与约束板之间,两端板与中套管及外套管之间分别建立面面接触(Surface-to-Surface Contact),其余不发生滑动或接触的部分采用Tie约束连接。在两端加载点处设置参考点,并将参考点与支撑内芯两端耦合,以便于加载方式及边界条件的设置。支撑边界条件为简支,即释放所有内芯端部转动约束。支撑加载采用位移控制模式完成。经试算,网格尺寸采用15 mm时可以保证较高的计算精度及计算效率。数值模型中其他参数见表1,其中SS、AF、BF分别代表钢绞线、玄武岩复位筋和芳纶纤维复位筋。

表1 复位筋参数及分析结果

4 有限元结果及分析

各试件在加载初期所有部件均处于弹性状态。随着加载位移的逐渐增大,支撑内芯及复位筋的应力随之增大。达到支撑的屈服荷载时,支撑内芯耗能段发生屈服,如图3(a)所示。图3(b)、图3(c)、图3(d)分别显示了当支撑内芯发生屈服时,外套管、支撑核心区以及复位筋的应力状态。该状态下仅有耗能内芯处于弹塑性状态,其余部件均为弹性,且应力水平远小于屈服强度。图4给出各试件力-位移曲线,5个试件在加载过程中滞回曲线呈现明显的“旗帜”特征,且未出现强度、刚度的下降,说明该支撑具有较好的滞回耗能特性及自复位能力。

图3 应力云图

图4 位移放大型自复位防屈曲支撑滞回曲线

图5列出并对比了各试件的骨架曲线。5个自复位防屈曲支撑发生屈服后,曲线均出现明显的拐点,刚度随之降低,并伴有承载力的提高。根据图5对比可知,复位筋材料对支撑初始刚度的影响较小,但对支撑的屈服后刚度及承载力影响较大;预拉力对自复位支撑的初始刚度及屈服后刚度影响较小,但是当预拉力较小时,提高预拉力水平可以大幅提高支撑的承载能力。

图5 骨架曲线对比

图6对比了各试件的滞回曲线。各试件的滞回曲线均呈现明显的自复位防屈曲支撑所特有的“旗帜型”特征。图6(a)对比了不同复位筋材料对位移放大型自复位防屈曲支撑滞回性能的影响。显然,复位筋采用钢绞线复位筋支撑的屈服后刚度较大,玄武岩复位筋次之,芳纶纤维复位筋最小。三种自复位筋对应的支撑复位能力几乎相同。由表1可知,三种复位筋材料主要区别为弹性模量及屈服强度,而自复位防屈曲支撑在设计时应保证复位筋处于弹性,因此影响三种支撑滞回响应的因素仅有弹性模量这一特性。自复位防屈曲支撑复位系统的刚度主要取决于复位筋的刚度,因此由图6(a)可知,随着自复位系统刚度的增加,位移放大型自复位防屈曲支撑的屈服后刚度随之增加,自复位能力受复位系统刚度影响较小。

图6 滞回曲线对比

图6(b)对比了不同预拉力对位移放大型自复位防屈曲支撑滞回性能的影响。复位筋预应力为400及600 MPa时,位移放大型自复位防屈曲支撑的承载力及自复位能力均大于预应力为200 MPa时对应的支撑性能,但三种支撑滞回曲线的包络面积基本相同。以上结果表明,位移放大型自复位防屈曲支撑的耗能能力受预拉力影响较小,即自复位支撑的耗能能力主要取决于其耗能内芯的形变量,与自复位系统无关。位移放大型自复位防屈曲支撑的复位能力与预拉力大小有关,但二者并非简单的线性关系。当预拉力较小时,支撑的复位能力随预拉力增加而增加(SC-1,SC-4),当预拉力达到某一限值时,支撑的复位能力保持一定(SC-4,SC-5)。

5 结 论

提出了一种位移放大型自复位防屈曲支撑,利用Abaqus有限元分析软件对其进行精细化建模分析,研究不同复位筋材料及预拉力水平对支撑滞回性能的影响。结果表明位移放大型自复位防屈曲支撑具有较好的滞回性能及自复位能力。位移放大型自复位防屈曲支撑承载力随自复位系统刚度增加而增加,自复位能力受自复位系统刚度影响较小。位移放大型自复位防屈曲支撑的耗能能力受预拉力影响较小,在一定范围内,提高预拉力水平可以降低位移放大型自复位防屈曲支撑的残余变形,提升其自复位性能。