位移放大型自復位防屈曲支撐滯回性能分析與數值模擬

張路平,尚朝陽,陳麒丞,張浩宇,魯軍凱

(東北林業大學,黑龍江,哈爾濱 150040)

1 引 言

防屈曲支撐由于具有良好的抗震性能和耗能能力,被廣泛應用于工程中[1]。其不僅可為結構提供有效的抗側剛度,同時亦可在地震作用下減少結構的整體響應和損傷[2-4]。國內外學者已就普通防屈曲支撐的約束機理、耗能機理和失效機理[5,6]等進行了充分的研究和論證。然而,裝有普通防屈曲支撐的結構在遭遇中震和大震后可能會產生較大的殘余變形,導致修復代價極為高昂。近年來引起眾多學者廣泛關注的自復位耗能支撐不僅具有較好的耗能能力,同時兼具極佳的自恢復特性,可減小結構在震后的殘余變形。

近年來,國內外學者基于性能化地震工程的發展需求[7],提出了多種具有自復位功能的耗能支撐。Miller等[8]于2011年將形狀記憶合金絞線與普通鋼索相連構成的自復位系統與防屈曲支撐組合而成自復位防屈曲支撐并完成試驗研究。劉璐等[9]于2012年提出一種預應力鋼絞線式自復位防屈曲支撐,試驗研究結果表明自復位防屈曲支撐的軸向變形能力受到預應力鋼絞線彈性變形能力的限制。周中哲等[10]于2012年提出一種雙核心自復位支撐,并通過試驗證明該支撐具有較好的滯回性能及耗能能力。曾鵬等[11]于2013年將串聯的鋼絞線引入全鋼防屈曲支撐,提出一種位移放大型全鋼自復位防屈曲支撐,該支撐利用兩束串聯的預應力筋構成自復位系統,以保證提高自復位防屈曲支撐的軸向變形能力。

盡管傳統的預應力鋼筋線自復位防屈曲支撐可以減小結構的殘余變形,但卻受限于較差的鋼絞線彈性變形能力而無法充分發揮支撐的耗能能力。依托于國家級大學生創新創業訓練計劃項目(編號:202110225164),提出一種位移放大型自復位防屈曲支撐,通過數值仿真研究初始預應力、復位筋種類和彈性模量等幾個主要因素對支撐滯回性能的影響。

2 位移放大型自復位防屈曲支撐的提出

如圖1所示,位移放大型自復位防屈曲支撐由防屈曲支撐和自復位系統兩部分組成。防屈曲系統有內、外約束套管,內套管為方形矩形截面,對耗能內芯起到約束和支撐的作用,防止受壓時出現過早面外屈曲。一字形耗能內芯包括中間削弱部分的屈服段和兩端截面擴大的非屈服段,同時在屈服段和非屈服段之間為光滑過渡段以減少應力集中。自復位系統由8根預應力筋、外端板和內端板組成。兩側端板均是十字形槽孔,以便左右十字形連接件受到壓力時順利通過,從而使預應力筋產生復位拉力。

圖1 位移放大型自復位防屈曲支撐組裝示意圖

3 有限元模型建立

采用Abaqus建立自復位防屈曲支撐的有限元模型,其中內核心單元、約束套管、中套管、外套管及兩塊端板均采用八節點線性六面體的減縮積分單元(C3D8R)。預應力鋼絞線采用桿單元模擬(T3D2)。自復位系統所用復位筋材料均采用雙折線彈塑性模型,如圖2所示,屈服后剛度Es取為1%彈性模量。其中fy和εy分別為屈服應力和屈服應變,fu和εu為極限應力和極限應變,E0為彈性模量,E0= 20 GPa。

圖2 鋼材本構關系

支撐內芯與約束板之間,兩端板與中套管及外套管之間分別建立面面接觸(Surface-to-Surface Contact),其余不發生滑動或接觸的部分采用Tie約束連接。在兩端加載點處設置參考點,并將參考點與支撐內芯兩端耦合,以便于加載方式及邊界條件的設置。支撐邊界條件為簡支,即釋放所有內芯端部轉動約束。支撐加載采用位移控制模式完成。經試算,網格尺寸采用15 mm時可以保證較高的計算精度及計算效率。數值模型中其他參數見表1,其中SS、AF、BF分別代表鋼絞線、玄武巖復位筋和芳綸纖維復位筋。

表1 復位筋參數及分析結果

4 有限元結果及分析

各試件在加載初期所有部件均處于彈性狀態。隨著加載位移的逐漸增大,支撐內芯及復位筋的應力隨之增大。達到支撐的屈服荷載時,支撐內芯耗能段發生屈服,如圖3(a)所示。圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)分別顯示了當支撐內芯發生屈服時,外套管、支撐核心區以及復位筋的應力狀態。該狀態下僅有耗能內芯處于彈塑性狀態,其余部件均為彈性,且應力水平遠小于屈服強度。圖4給出各試件力-位移曲線,5個試件在加載過程中滯回曲線呈現明顯的“旗幟”特征,且未出現強度、剛度的下降,說明該支撐具有較好的滯回耗能特性及自復位能力。

圖3 應力云圖

圖4 位移放大型自復位防屈曲支撐滯回曲線

圖5列出并對比了各試件的骨架曲線。5個自復位防屈曲支撐發生屈服后,曲線均出現明顯的拐點,剛度隨之降低,并伴有承載力的提高。根據圖5對比可知,復位筋材料對支撐初始剛度的影響較小,但對支撐的屈服后剛度及承載力影響較大;預拉力對自復位支撐的初始剛度及屈服后剛度影響較小,但是當預拉力較小時,提高預拉力水平可以大幅提高支撐的承載能力。

圖5 骨架曲線對比

圖6對比了各試件的滯回曲線。各試件的滯回曲線均呈現明顯的自復位防屈曲支撐所特有的“旗幟型”特征。圖6(a)對比了不同復位筋材料對位移放大型自復位防屈曲支撐滯回性能的影響。顯然,復位筋采用鋼絞線復位筋支撐的屈服后剛度較大,玄武巖復位筋次之,芳綸纖維復位筋最小。三種自復位筋對應的支撐復位能力幾乎相同。由表1可知,三種復位筋材料主要區別為彈性模量及屈服強度,而自復位防屈曲支撐在設計時應保證復位筋處于彈性,因此影響三種支撐滯回響應的因素僅有彈性模量這一特性。自復位防屈曲支撐復位系統的剛度主要取決于復位筋的剛度,因此由圖6(a)可知,隨著自復位系統剛度的增加,位移放大型自復位防屈曲支撐的屈服后剛度隨之增加,自復位能力受復位系統剛度影響較小。

圖6 滯回曲線對比

圖6(b)對比了不同預拉力對位移放大型自復位防屈曲支撐滯回性能的影響。復位筋預應力為400及600 MPa時,位移放大型自復位防屈曲支撐的承載力及自復位能力均大于預應力為200 MPa時對應的支撐性能,但三種支撐滯回曲線的包絡面積基本相同。以上結果表明,位移放大型自復位防屈曲支撐的耗能能力受預拉力影響較小,即自復位支撐的耗能能力主要取決于其耗能內芯的形變量,與自復位系統無關。位移放大型自復位防屈曲支撐的復位能力與預拉力大小有關,但二者并非簡單的線性關系。當預拉力較小時,支撐的復位能力隨預拉力增加而增加(SC-1,SC-4),當預拉力達到某一限值時,支撐的復位能力保持一定(SC-4,SC-5)。

5 結 論

提出了一種位移放大型自復位防屈曲支撐,利用Abaqus有限元分析軟件對其進行精細化建模分析,研究不同復位筋材料及預拉力水平對支撐滯回性能的影響。結果表明位移放大型自復位防屈曲支撐具有較好的滯回性能及自復位能力。位移放大型自復位防屈曲支撐承載力隨自復位系統剛度增加而增加,自復位能力受自復位系統剛度影響較小。位移放大型自復位防屈曲支撐的耗能能力受預拉力影響較小,在一定范圍內,提高預拉力水平可以降低位移放大型自復位防屈曲支撐的殘余變形,提升其自復位性能。