環(huán)向鳳梨型預(yù)折管在低速?zèng)_擊荷載下的能量吸收

劉 鵬 徐孝宇 李建宇 吳勝平

（1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096）

0 引言

在結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，普通支撐受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的屈曲現(xiàn)象。受壓屈曲后，其剛度、承載力迅速降低。并且，在往復(fù)荷載下，普通支撐滯回性能較差。為解決以上問(wèn)題，提出在支撐外部設(shè)置鋼套管，構(gòu)成屈曲約束支撐。但傳統(tǒng)屈曲約束支撐制作要求精度高，施工難度大。在使用和推廣上受到很大限制。

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，將初始缺陷引入到傳統(tǒng)的普通支撐，作者提出了一種帶有環(huán)向鳳梨型誘導(dǎo)裝置的屈曲誘導(dǎo)支撐[1]（專(zhuān)利號(hào)：ZL201611020861.1），如圖1所示。

本文通過(guò)有限元模擬，分別對(duì)環(huán)向鳳梨型折痕管、普通方管在低速?zèng)_擊載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行分析，并對(duì)環(huán)向鳳梨形折痕管的能量吸收機(jī)理進(jìn)行闡述。

圖1 環(huán)向鳳梨型屈曲誘導(dǎo)支撐示意圖

1 模型介紹

圖2 折痕單元示意圖

現(xiàn)對(duì)環(huán)向鳳梨型折痕單元進(jìn)行介紹。如圖 2所示，六個(gè)三角形兩兩共線，相交于一頂點(diǎn)，其中9和10的公共邊和12和13的公共邊為峰線15，10和11的公共邊、11和12的公共邊、13和14的公共邊、14和9的公共邊為谷線16，相鄰的兩個(gè)三角板沿著峰線15向外折疊，并沿著谷線16向內(nèi)折疊。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

通過(guò)ABAQUS對(duì)低速落錘試驗(yàn)中環(huán)向鳳梨形折痕管的力學(xué)性能進(jìn)行分析。此外，參考Cowper- Symonds模型，對(duì)材料應(yīng)變率強(qiáng)化效果[2]進(jìn)行模擬。Q235鋼應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)C和P分別為114 s-1和5.56[3]。管壁自身采用自接觸式，并且在管壁和剛性板之間使用表面-表面接觸型[3]。此外，在ABAQUS計(jì)算中的網(wǎng)格劃分中，應(yīng)使得殼單元的最小邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度大于殼的厚度[5]。

2.2 數(shù)值結(jié)果

圖3 數(shù)值模擬變形模式

圖4 環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管承載力對(duì)比

圖5 環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管承載力耗能對(duì)比

圖 3給出的是環(huán)向鳳梨型折痕管和普通方管的變形模式。普通方管變形模式為對(duì)稱(chēng)變形；環(huán)向鳳梨型折痕管變形模式為大變形。折痕的引入迫使預(yù)折疊管的折疊部分的數(shù)量等于標(biāo)準(zhǔn)部分的數(shù)量，使得移動(dòng)塑料鉸線的數(shù)量從8條增加到16條。移動(dòng)塑料鉸鏈數(shù)量的增加，導(dǎo)致塑性變形發(fā)生的區(qū)域增加。然而，普通方管在變形中具有三個(gè)折疊段，并且發(fā)生塑性變形的區(qū)域，僅存在于普通方管的拐角周?chē)男^(qū)域。大多數(shù)區(qū)域的材料沒(méi)有塑性變形，這限制了能量的吸收。

圖4、圖5為環(huán)向鳳梨型折痕管與普通方管的承載力、耗能對(duì)比。對(duì)于環(huán)向鳳梨型折痕管，折痕的引入使其峰值載荷降低44.8%；平均載荷提高37.2%；壓縮效率提高151.6%。環(huán)向鳳梨型折痕管之所以有如此優(yōu)異的耗能性能，與其幾何構(gòu)型有關(guān)。

與普通圓管相比，環(huán)向鳳梨型折痕在普通方管的 4條棱上引入特殊折痕。首先，折痕的引入大大降低支撐結(jié)構(gòu)的軸向剛度，所以其峰值載荷降低44.8%。其次，折痕的引入增加塑性鉸線的數(shù)量，使其移動(dòng)時(shí)掃過(guò)的總面積增加；塑性鉸線的掃掠使得管壁的某些區(qū)域產(chǎn)生兩次連續(xù)的塑性彎曲[5]，吸收大量能量。

3 結(jié)論

本文研究了一種環(huán)向鳳梨型預(yù)折管，在普通方管壁上引入鳳梨型折痕。通過(guò)數(shù)值分析可得，鳳梨型折痕可以對(duì)預(yù)折管在軸向沖擊載荷下的變形模式進(jìn)行誘導(dǎo)，并大大提高能量吸收效率。折痕的引入導(dǎo)致邊緣和側(cè)面與橫截面產(chǎn)生一定的傾斜度。這種傾斜度降低了軸向剛度和峰值荷載。同時(shí)，使移動(dòng)塑料鉸鏈的數(shù)量加倍，增大預(yù)折痕管壁上的塑料區(qū)，提高能量吸收效率。