一字形芯鋼管混凝土防屈曲支撐分析研究

楊士萱，史三元，郝科語，王天龍

一字形芯鋼管混凝土防屈曲支撐分析研究

楊士萱1，史三元1，郝科語2，王天龍1

（1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038；2.中國建筑一局有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000）

利用有限元分析軟件ANSYS對普通支撐和一字形鋼管混凝土防屈曲支撐進行模態分析，通過對比兩種支撐的模態云圖和振型參數來研究加約束的一字型芯鋼混防屈曲支撐的優劣勢和臨界荷載變化及其失穩的位置。分析一字形鋼管混凝土防屈曲支撐的滯回耗能，防屈曲支撐的摩擦系數和填充混凝土的強度因素。得到以下結論：一字形芯更容易出現y軸方向的彎曲失穩，框架結構的剛度以及自振周期能夠通過安裝一字形鋼混屈曲支撐而發生明顯改變。

防屈曲支撐；ANSYS；屈曲模態分析；滯回性能；

防屈曲支撐(buckling-restrained brace，簡稱BRB)是一種新型的金屬受拉和受壓達到屈服的耗能支撐構件。目前，隨著新型材料（例如FRP材料）的大規模應用，在防屈曲支撐中也得到應用。20世紀90年代后，各個國家和地區均相繼開始了防屈曲支撐的相關研究分析[1-4]。近些年來，針對鋼管混凝土式防屈曲支撐的參數、材料等很多方面進行了大量的研究[5-10]。目前，對于約束一字型鋼管混凝土的防屈曲支撐的抗震性能還鮮有研究，本文通過利用ANSYS有限元軟件，對本結構進行數值模擬。

1 研究方法

利用有限元分析軟件ANSYS對防屈曲支撐進行模態分析，從而得出一字形鋼管混凝土式防屈曲支撐和內芯的各項動力特性系數，然后利用模態分析得到特征值進行屈曲模態分析。

1.1 鋼材本構關系

本文模型中的鋼材為Q235鋼，模擬鋼材采用服從Von Mises屈服準則以及雙線性隨動強化材料模型。Q235鋼屈材料屬性參數見表1。

表1 Q235-A鋼參數Tab.1 The material property of Q235-A steel

1.2 建立ANSYS模型

構建兩個模型：支撐的核心部位為一字芯，長5 000 mm，寬400 mm，厚40 mm的一字型長方體鋼芯，在僅有一字形鋼芯時為普通支撐，將此支撐構建為模型301；在模型301的基礎上加上外套為長4 000 mm，內直徑為540 mm，厚為10 mm的鋼管，一字芯與鋼管中間部位填充混凝土，將此模型定義為模型302（見圖1）。

圖1 模型302結構圖示Fig.1 The drawing of model 302

1.3 網格的劃分

在有限元分析模擬中，網格劃分會直接影響模型最后的分析精度及收斂性。劃分結果如圖2。

圖2 劃分網格結果Fig.2 The result of mesh generation

1.4 添加接觸對

在前處理中添加接觸對，對于目標單元設置接觸單元為Targe170號單元，接觸面設置為Conta174號單元，由于只進行模態分析，因此摩擦系數將不會影響分析結果，將摩擦系數設置為0。

1.5 添加約束

由于主要研究防屈曲支撐的軸向受力及其性能分析情況，因此這里釋放支撐的軸向約束和約束另兩個方向的約束。具體為分別對模型301、302兩端施加Ux、Uy兩個自由度的約束，釋放z軸方向的自由度，使得支撐兩端只能夠在軸向產生位移。

在求解菜單Solution下找到Define Loads選項，選中Apply找到定義位移選項Displacement進行對支撐兩端的約束。設置約束的方式是選中兩端的節點進行點約束。

2 模態結果分析

模態分析（振型分析）通常用來計算求解結構的自振周期、頻率和位移等動力學相關特性系數。要分析構件在地震中的作用，首先要進行模型分析，這類分析方法也是最常見的抗震分析方法。同時模態分析得到的結果可以為其在地震響應分析中提供依據，也是響應譜分析和反應譜分析的計算基礎。

分別對不加約束的一字形芯和加約束之后的一字形鋼混防屈曲支撐進行了分析，分別提取了兩個模型前6階段的模態數據，具體分析兩個模型各階級模態和振型參數。

對于一字形芯各階級模態分析，在只有內芯的情況下，第二階段一字形芯出現了x軸方向的彎曲變形，最大點出現在一字形芯的中間位置，此階段中間位置容易破壞；在第三階段時，一字形芯出現了y軸方向的變形，最大變形分別在距兩個端點的四分之一處，第三階段的位移要大于第二階段，說明一字形芯更容易出現y軸方向的彎曲失穩；見圖3和圖4。

由圖5、圖6、圖7比較分析可以得出，四階模態出現x軸向變形，五、六階模態出現y軸向變形，y軸向變形幅度要大于x軸向位移，說明y方向位移依然是彎曲失穩關鍵因素；另外由圖6和7可以看出在五、六階模態時均出現多波段屈曲。

圖3 模型301的二階模態圖Fig.3 The nephogram of 301 in second modal

圖4 模型301的三階模態圖Fig.4 The nephogram of 301 in third modal

圖5 模型301的四階模態圖Fig.5 The nephogram of 301 in fourth modal

圖6 模型301的五階模態圖Fig.6 The nephogram of 301 in fifth modal

圖7 模型301的六階模態圖Fig.7 The nephogram of 301 in sixth modal

圖8 模型302內芯的一階模態圖Fig.8 The nephogram of 302 inner pipe in first modal

在加約束的一字型芯鋼混防屈曲支撐的模態圖中不難看出，各模態階段的位移位置發生了明顯的變化，由圖8可以看出，雖然最大位移位置仍然在中間位置，不過最大變形位置是在一字形芯和混凝土的連接處，一定程度上說明混凝土起到了應有的作用，達到了預期目的；相較于無約束的一字形芯而言，模型302第一、二階模態的最大變形均遠遠小于模型301，最大位移也小于模型301，符合預期設計要求。通過觀察模型302最大變形位置不難看出前兩階模態均出現在兩端，這是值得注意的，應對兩端的連接部位進行加強，防止局部屈曲。

由圖9可見，支撐的第二階段是扭轉位移，最大變形處依然在混凝土與一字形芯的連接處，說明此處是模型302的薄弱處，在以后的設計研究中應該注意加強，防止兩端局部屈曲。

由圖10模型302第三階模態圖可以看出，此時的最大位移點為模型的中間位置，不過位移變形量遠小于模型301，混凝土和外套管起到了非常大的作用，達到預期目標。

由圖11、圖12可以看出模型302內芯的第四、五階模態的最大位移點均出現在內芯和混凝土的連接處。相對于模型301來說，變形位置出現變化，位移幅度也遠遠小于模型301。

3 屈曲模態分析

屈曲模態分析是在模態分析的基礎上進行的，對比301和302模型發現，約束方式和模態分析一致，一端固接，一端釋放z方向自由度；加載方式為在釋放自由度端加載負向單位載荷力。

圖9 模型302內芯的二階模態圖Fig.9 The nephogram of 302 inner pipe in second modal

圖10 模型302內芯的三階模態圖Fig.10 The nephogram of 302 inner pipe in third modal

圖11 模型302內芯的四階模態圖Fig.11 The nephogram of 302 inner pipe in fourth modal

由圖13可以看出，模型301在一階屈曲模態時最大位移點為中間位置，說明構件容易出現失穩情況；在二階屈曲模態時最大位移點各為距兩端點的1/3處，此后的幾階模態均為多波段屈曲。模型301變形尺寸過大，不利用構件的耗能分析。

圖12 模型302內芯的五階模態圖Fig.12 The nephogram of 302 inner pipe in fifth modal

圖13 模型302屈曲模態圖Fig.13 The nephogram of model 302 buckling mode

屈曲模態分析可以計算出構件失穩時的臨界荷載，本次施加的為單位載荷，因此屈曲分析一階模態為構件的臨界載荷。由表2和表3可以看出，一字芯的臨界荷載為12.207E+05，而添加約束后的防屈曲支撐臨界載荷為14.747E+06，承載力提高了12.08倍，說明約束起到非常大的作用，使得支撐的失穩性大大降低，臨界載荷有了非常大的提升。不僅如此，在前六階屈曲模態的振型中，模型302的性能均比模型301的有大幅度提升，說明防屈曲支撐確實具有非常大的優勢。

表2 一字芯模型301各模態頻率參數Tab.2 The each modal frequency parameters of model 301

表3 防屈曲支撐模型302各模態頻率參數Tab.3 The each modal frequency parameters of BRB 302

4 結論

1）對于一字形芯各階級模態分析，在只有內芯的情況下，第二階段一字形芯出現了x軸方向的彎曲變形，最大點出現在一字形芯的中間位置，此階段中間位置容易破壞；在第三階段時，一字形芯出現了y軸方向的變形，最大變形分別在距兩個端點的四分之一處，第三階段的位移要大于第二階段，說明一字形芯更容易出現y軸方向的彎曲失穩。

2）在加約束的一字型芯鋼混防屈曲支撐模態圖中，最大變形位置在一字形芯和混凝土的連接處，說明混凝土起到了應有的作用，達到了預期目的。

3）一字型芯的防屈曲支撐比普通支撐的周期小，頻率大，說明構件的剛度得到了很大提升，增加了很大的強度。

4）加約束的一字型芯鋼混防屈曲支撐的臨界載荷提高了12.08倍，使得支撐失穩性大大降低，臨界載荷有了非常大的提升。

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Analysis of the rectangle section BRB with concrete-filled tubes

YANG Shixuan1，SHI Sanyuan1，HAO Keyu2，WANG Tianlong1
(1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，P.R.China；2.China Construction Bureau co. Ltd. Shenzhen branch，Guangdong Shenzhen，518000，China)

The finite element analysis software (ANSYS) is used to carry out the modal analysis of the common brace and buckling restrained brace. The advantages and disadvantages of the two kinds of support modes are compared. On the basis of modal analysis, the buckling mode of the structure is analyzed. The critical load changes and instability position are also studied. The friction coefficient of the buckling restrained brace and the strength of the filled concrete are analyzed. The results show that the bending of the Y axis is easier to occur in one core, and the stiffness and the natural vibration period of the frame structure can be obviously changed by installing a steel shaped hybrid buckling brace.

buckling-restrained brace; ANSYS; buckling mode analysis; hysteretic performance

TU37

A

1673-9469（2017）03-0001-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.001

2017-07-03 特約專稿

國家自然科學基金資助項目(51174124）；河北省研究生創新項目(171290080015）；河北省教育廳青年基金資助項目(QN2014070)

楊士萱（1993-），女，河北保定人，碩士，主要從事鋼結構、地下空間工程研究。