H型鋼自復位屈曲支撐抗震研究

趙杰 ，關群 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

我國的土木工程長期承受著地震的影響，由于我國地域廣闊，包含多種地貌特征與場地類型，各地承受地震的危害也大有不同，震災過后，建筑結構因為變形無法復原的原因，安全性存在著重大的隱患，重建工作的順利進行變得尤為重要。裝配式鋼結構的使用能夠滿足重建工作的短周期、抗震好、安全性高等優點，并且大量使用裝配式鋼構件也符合我國目前鋼產量過剩現狀和大力發展綠色建筑的政策方針。將復位系統加入裝配式建筑中，使構件在地震作用下產生的參與形變得到一定程度的復原，不僅保障受地震作用之后建筑的安全性能，同時提升了構件的使用壽命。

防屈曲支撐的優點在于不增加構件剛度，依靠側向約束的作用，阻止核心構件發生過度的屈曲，提升構件的承載力，但是受地震作用，核心構件會產生不可復原的殘余形變，成為結構安全的一大隱患。自復位防屈曲支撐結合了防屈曲支撐與自復位系統的優點，在增加承載力的同時，減小防屈曲支撐的殘余形變，促使自恢復性防屈曲支撐的應用范圍更加廣泛與實用。但部分自復位支撐的設計都過于復雜，材料使用昂貴，對于工程造價和施工依然存在不利影響。

目前，防屈曲支撐的研究已趨向成熟，國內外專家進行過大量的研究[1-4]，按照約束部件可分為：混凝土約束、鋼約束。按照核心構件的截面可以分為：一字、十字和型鋼芯。混凝土約束，由于施工工藝不好控制，且周期長無法精準控制構件質量；全鋼約束，生產周期短，可以控制約束部件與核芯部件的約束間隙，能夠保證構件的成品質量，符合安全綠色建筑要求。一字內芯承載能力低[5]，十字形內芯初始缺陷嚴重[6]。H型屈曲支撐有著較好的受力性能[7-9]。

2010年 Oda與Usami[10]對 H型鋼屈曲支撐進行了研究，如圖1所示，研究結果表明H型屈曲支撐擁有良好的耗能能力，但由于約束部件對于型鋼翼緣內側約束程度過小，導致一根構件局部屈曲嚴重促使構件破壞，未達到理想承載力。

圖1 H型鋼防屈曲支撐

文章總結上述提出的問題，提出一種新型H型自恢復防屈曲支撐，本支撐采用H型鋼作為耗能內芯，采用型鋼與鋼管作為約束部件，高強彈簧作為自恢復系統形，整體采用螺栓與卡扣方式裝配而成，通過使用ABAQUS有限元模擬軟件進行分析，結果表明，相對于傳統的防屈曲支撐，殘余形變量一定程度的消除，承載力得到明顯的提升。

1 新型自復位屈曲支撐的設計

新型自復位防屈曲支撐按照功能由以下兩個部件構成：H型防屈曲支撐（HBRB）和自復位系統（SC)。

1.1 H型鋼防屈曲支撐與復位系統

新型H型防屈曲支撐如圖2所示，由全鋼約束部件、H型鋼耗能內芯、加強板和高強彈簧組成。H型組合型鋼為主要耗能內芯，防止連接段在屈服段發生明顯屈曲之前發生屈曲破壞，將連接段利用鋼板依次加強，將C字型鋼放入H型鋼槽中，再依照圖中依次裝上一字型鋼板，利用高強螺栓組合完成，加強板深入約束鋼板3%的長度，保證約束部位始終在約束部位以內，將作為恢復系統的高強彈簧部件依次放入預先留好的連接板中間，利用螺栓依次連接完成。兩端與結構部件正常連接。

圖2 新型自恢復型屈曲支撐

耗能內芯的理論模型采用理想的雙線性模型，如圖3所示，Fc其中為內芯軸力，uc為耗能內芯軸向形變量。

復位裝置由連接板與高強壓縮彈簧構成，四組分別前后左右對稱放入預留在耗能裝置和約束裝置中的安裝孔位，耗能裝置與約束裝置不直接相連，通過高強彈簧相連，通過高強彈簧拉伸和壓縮達到自復位的性能。復位系統的受力模型采用線彈性模型彈簧鋼度為Ks1。

1.2 自復位系統與H型鋼防屈曲支撐聯合工作

圖3 耗能內芯恢復力模型

在地震作用下，新型自復位系統受力復雜。為便于研究，簡化成理論模型如圖4所示，耗能內芯與約束管套之間通過左右兩側彈簧對稱連接，在地震作用下，復合構件受到軸向力作用，耗能內芯被壓縮（拉伸），帶動兩側彈簧壓縮（拉伸），由于一端約束部件保持平衡，恢復部件會給耗能內芯一個反向力，在地震過后通過恢復部件內力使耗能內芯恢復至原來位置，恢復力F=4Fs。在整個受力過程中，約束部件與恢復部件保持串聯受力，與耗能內芯為并聯關系，約束不僅僅起到約束作用還起到了傳力作用，還使得整個構件耗能與恢復同時進行、同時作用。

圖4 新型自恢復型屈曲支撐模型

2 有限元模型的建立

該新型自復位防屈曲支撐由H型鋼與多個加強板、高強彈簧、約束管套組成，分析時需要處理各個構件復雜的接觸關系。同時，該構件在地震作用下實際會產生一定程度的變形，屬于非線性問題。由于大型結構計算軟件ABAQUS對于非線性問題求解和對于接觸定義上的具有較強的優勢，所以本文采用ABAQUS軟件對防屈曲支撐（B-1）、新型自復位H型鋼（B-2）進行模擬分析，并對結果進行比較。

2.1 材料的本構關系

全套構件為鋼材，其中耗能內芯選用Q235級鋼，約束管套、加強板均采用Q345鋼材。彈簧采用壓縮性高強度彈簧，具有強度高，占用空間小等優點。有限元模擬時，鋼材選用理想彈塑性模型，本構關系選用符合雙折線模型的實驗數據，泊松比取0.3，塑性模擬采用von M ises屈服準則和隨動強化準則。

2.2 有限元模型的截面尺寸和單元類型

建立新型自恢復型屈曲支撐有限元模型尺寸如圖5所示。

圖5 主要構件尺寸

根據實際連接方式定義各個構件之間的接觸關系，加強板、連接板與耗能內芯通過焊接拼裝而成，設置為綁定約束，分析過程中視為一個整體；加強板與約束管套實際用高強彈簧相連，模型中定義為彈簧連接，固定彈簧鋼度；耗能內芯與約束部件的在不受力的情況下不接觸，在壓縮狀態下，耗能內芯發生屈曲變形，局部會與約束管套接觸，接觸比較復雜，通過定義接觸來表達相互作用關系，選擇除耗能內芯的構件為主接觸面，耗能內芯為從接觸面，接觸之間選擇有限滑移理論來計算，垂直面上的摩擦方式采用硬接觸，切線方向采用庫倫摩擦。

網格屬性的定義從計算時間和計算精度考慮采用線型減縮積分單元（C3D8R）。又因為主接觸面網格密度小于從接觸面，才能保證計算準確，耗能內芯的網格密而小，約束管套、加強板、連接板網格稀而粗。實體單元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

2.3 荷載與邊界條件的設定

有限元模擬當中，為了防止構件局部屈曲，所以采用變幅位移加載方式，加載歷程參照SEAOC-AISC制定的標準，支撐構件在地震作用下內芯形變量一般在1%～2%,本文加載長度取3%，詳細加載制度如圖7所示。

在實際地震作用中，上端的位移量相對于下端要大，模型分析時構件一端采用固接，另一段約束2個方向的位移和轉動，允許x方向的位移和轉動，在端部參考點上加載動位移，模型如圖8所示。

圖7 等幅加載關系

圖8 邊界條件

3 分析結果

3.1 防屈曲支撐擬靜力分析

防屈曲支撐變形圖如圖9所示，約束管套出現明顯的應力反應，對耗能部件起到明顯的約束作用，分析過程中加強過渡段出現應力集中現象，且嚴重屈曲部位接近加強段過渡區。

通過分析可知，剛度是防屈曲支撐的承載力的重要因素，應力集中的原因在于剛度的突變加強板剛度遠遠大于屈服段界面剛度，造成因剛度變化而引起的應力集中現象，應力集中使得該段屈服段出現屈曲變形。防屈曲支撐的滯回曲線如圖10所示，分析圖可得到，整體骨架飽滿，說明該屈曲支撐的耗能性能良好，恢復力良好，構件整體性能優越，但是分析每次循環到應力為0時，當加載位移越大，殘余應變也隨之增大。計算殘余變形與最大加載位移的比值，發現隨著加載幅值的增加比值也逐漸增大，如表1所示。

3.2 新型H型自復位防屈曲支撐分析

新型自恢復型防屈曲支撐的應力圖與滯回曲線如圖11與圖12所示。由滯回曲線可以得到，耗能效果提升了30%，抗震能力得到提升。存在的殘余變形與幅值比值的表2所示。可得最大的比值為0.51，相比于防屈曲支撐的殘余變形比值最大值為0.89有了明顯的改善，達到了自復位的效果。同時使構件得到自恢復能力并且使構件的耗能能力得到提升，一定程度緩解了摩擦型屈曲支撐的應力集中現象。

4 結論

本文將新型H型自復位防屈曲支撐相較于傳統防屈曲支撐，通過有限元分析軟件ABAQUS進行數值模擬的結果進行對比分析，得出以下結論：

圖9 擬靜力模型的滯回曲線

最大變形與殘余變形 表1

①新型支撐構件殘余變形明顯減小，大大改善了構件性能；

圖11 新型H型自復位防屈曲擬靜力模型的滯回曲線

最大變形與殘余變形 表2

②新型自恢復性屈曲支撐采用耗能內芯與恢復部件并聯受力，使約束管套參與受力，構件受力更合理明確。

③新型自恢復性H型屈曲支撐采用新式簡單組裝形式，保留了傳統防屈曲支撐優點，提升了構件的耗能能力，有較好的自復位能力，提升了抗震性能，在今后多層鋼結構與裝配式鋼結構設計中具有良好的應用前景。