工字型BRB核芯構(gòu)造對(duì)承載力影響的研究

周 珺

(上海申核能源工程技術(shù)有限公司，上海 200033)

1 研究背景

某實(shí)際工程的工字型BRB外觀尺寸為300 mm×300 mm，長4 m，主要由內(nèi)芯鋼材、鋼套管和填充料組成。內(nèi)芯鋼材和填充料間存在無粘結(jié)材料，它可以使接觸面無摩擦力，軸向荷載由內(nèi)芯鋼材承擔(dān)。同時(shí)該材料有一定體積，在鋼板受壓時(shí)，由于泊松比原因需要一定變形空間，這時(shí)無粘結(jié)可膨脹材料受到擠壓給內(nèi)核心鋼提供變形空間。本文針對(duì)BRB內(nèi)芯鋼材厚度、外套筒厚度、無粘結(jié)材料厚度的影響做模擬分析。建立同力學(xué)試驗(yàn)相符的有限元模型，將影響因素組合變換進(jìn)行模擬，分析各因素的影響關(guān)系。

2 靜力拉壓試驗(yàn)

本文所選的工字型BRB的靜力拉壓試驗(yàn)(如圖1所示)設(shè)定：依次按1/300，1/200，1/150，1/100變形反復(fù)拉壓各3次，按設(shè)計(jì)要求，屈服承載力設(shè)計(jì)值4 500 kN，最大承載力6 750 kN，試驗(yàn)最大變形40 mm。圖2記錄了拉壓雙向的本構(gòu)滯回曲線，即本文研究所模擬的本構(gòu)曲線。

3 模擬分析

根據(jù)BRB資料建立模型，由于無粘結(jié)材料通常由彈模較小材料如橡膠、聚乙烯、硅膠等構(gòu)成，模型中將其設(shè)置為厚度等同無粘結(jié)材料的空腔，兩者接觸關(guān)系為無摩擦。考慮內(nèi)芯鋼材厚度、外套筒厚度、無粘結(jié)材料厚度等因素的影響，將其設(shè)置為t1，t2，t3。據(jù)實(shí)t1=35 mm，t2=10 mm，t3=2 mm。鋼套管鋼材Q345，內(nèi)芯鋼材Q235，C30混凝土填充,見圖3。

上述條件下BRB的計(jì)算結(jié)果見圖4，此時(shí)滯回曲線較飽滿，且最大拉、壓力與試驗(yàn)數(shù)值接近，斜率接近，故計(jì)算可較好的模擬BRB靜力拉壓試驗(yàn)，模型合適。

設(shè)置三個(gè)影響參數(shù)的變量為：內(nèi)芯鋼材厚度t1=(25/35) mm、外套筒厚度t2=(10/20) mm、無粘結(jié)材料厚度t3=(0.5/2) mm時(shí)，組合見表1。

表1 各組合參數(shù)表

各組合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖5，可見各組合下BRB均有良好滯回性，滯回曲線飽滿。

3.1 內(nèi)芯鋼材厚度t1的影響

為對(duì)比內(nèi)芯鋼材厚度t1對(duì)BRB承載能力的影響，將以上組合1/5、組合3/7進(jìn)行對(duì)比，如圖6，圖7所示。組合1中最大拉力、壓力均高于組合5；組合3中最大拉力、壓力均高于組合7。對(duì)比各組在彈性范圍內(nèi)斜率，組合1、組合3均分別高于組合5、組合7。可知，當(dāng)內(nèi)芯鋼材厚度t1變大時(shí)，BRB最大承載拉壓力均提高，兩者正相關(guān)，且彈性范圍內(nèi)斜率也隨之增大，即構(gòu)件剛度增大。

3.2 外套筒厚度t2的影響

為對(duì)比外套筒厚度t2對(duì)BRB承載能力的影響，將組合3/4、組合7/8進(jìn)行對(duì)比，如圖8，圖9所示。組合4中最大拉壓力均高于組合3；組合8中最大拉壓力均高于組合7。由此，當(dāng)外套筒厚度t2變大時(shí)，BRB最大承載拉壓力均提高，兩者正相關(guān)。當(dāng)外套筒厚度t2變大時(shí)，當(dāng)構(gòu)件變形為正，內(nèi)芯鋼材與填充料、外套筒未接觸，對(duì)BRB承載力基本無影響；當(dāng)構(gòu)件變形為負(fù)，其對(duì)內(nèi)部填充料的約束能力增強(qiáng)，并反映到填充料對(duì)內(nèi)芯鋼材的約束作用上，從而提高BRB承載力。

3.3 無粘結(jié)材料厚度t3的影響

為對(duì)比無粘結(jié)材料厚度t3對(duì)BRB承載能力的影響，將組合2/4、組合6/8進(jìn)行對(duì)比，如圖10，圖11所示。當(dāng)無粘結(jié)材料厚度t3變大時(shí)，BRB最大承載拉壓力都將降低，兩者負(fù)相關(guān)。隨著間隙的增大，當(dāng)構(gòu)件變形為正，內(nèi)芯鋼材與填充料、外套筒未接觸，其對(duì)BRB承載力基本無影響；當(dāng)構(gòu)件變形為負(fù)，BRB內(nèi)芯鋼材的約束被降低，其受壓變形時(shí)自由空間增大，失穩(wěn)波幅也隨之增大，支撐承載力與耗能能力隨之降低。

4 結(jié)語

本文通過變換組合影響工字型BRB核心本構(gòu)關(guān)系的三個(gè)因素，得到其對(duì)本構(gòu)關(guān)系影響：當(dāng)內(nèi)芯鋼材厚度變大時(shí)，BRB最大承載拉壓力、彈性范圍內(nèi)的斜率都有提高，二者正相關(guān)。當(dāng)外套筒厚度變大時(shí)，當(dāng)構(gòu)件變形為正，內(nèi)芯鋼材與填充料未接觸，不影響B(tài)RB承載能力；當(dāng)構(gòu)件變形為負(fù)，其對(duì)內(nèi)部填充料與對(duì)內(nèi)芯鋼材的約束能力增強(qiáng)，從而提高BRB的承載能力。當(dāng)無粘結(jié)材料厚度變大時(shí)，當(dāng)構(gòu)件變形為正時(shí)，內(nèi)芯鋼材與填充料未接觸，不影響B(tài)RB承載能力；當(dāng)構(gòu)件變形為負(fù)時(shí)，BRB內(nèi)芯鋼材的約束被降低，其受壓變形時(shí)的失穩(wěn)波幅也隨之增大，支撐承載力與耗能能力隨之降低。