通過預應力筋實現自復位功能的防屈曲支撐性能分析

姜 濱 賈明明* 惠麗潔

（1、黑龍江省建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱150008 2、哈爾濱工業大學，結構工程災變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150090 3、哈爾濱工業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150090）

防屈曲支撐耗能能力強但震后殘余變形大，易造成結構很大殘余變形[1]。Miller 等人[2]以傳統防屈曲支撐作為耗能元件，以形狀記憶合金筋作復位材料合成一種自復位防屈曲支撐。此外，劉璐[3]和曾鵬[4]等則采用了常見的預應力鋼絞線作為復位筋制作自復位防屈曲支撐，并通過試驗和數值模擬分析了此類型支撐的滯回耗能和自復位能力。研究表明這一類型的自復位防屈曲支撐既能有效控制結構的最大地震響應，也具有良好的自復位能力。

雖然自復位防屈曲支撐能有效提高結構滯回耗能能力，減小結構的殘余變形，但相關設計的影響因素尚不明確。在此基礎上，本文通過有限元模擬對影響自復位防屈曲支撐滯回耗能和自復位能力的參數進行分析，以期能為自復位防屈曲支撐的設計提供幫助。

1 自復位防屈曲支撐構造形式

如圖1 所示，自復位防屈曲支撐由兩部分組成：防屈曲支撐（Buckling Restrained Brace，BRB） 部分和自復位系統（Self-Centering System, SCS）。防屈曲支撐部分內核心采用一字板，約束單元采用混凝土和方鋼管。將內核心單元的截面在端部進行放大，保證其與自復位系統的連接具有足夠的強度和穩定性。自復位系統由中套管、外套管、左右端板和四根施加預應力的復位筋組成。內核心右端與中套管焊接，左端與外套管焊接，復位筋分別錨固在兩塊端板上，端板靠施加預應力的復位筋的軸向壓力壓在中套管和外套管上。

圖1 自復位防屈曲支撐有限元模型

2 自復位防屈曲支撐有限元建模

自復位防屈曲支撐模型中約束混凝土采用C30 混凝土，采用考慮損傷的混凝土本構模型。鋼材均采用Q235-B 鋼，服從Von-Mises 屈服準則及相關流動性法則，本構模型選用雙線性隨動強化模型，強化模量為彈性模量的3%。復位筋采用預應力鋼絞線，在破壞前的應力- 應變關系基本呈線性關系，依據《預應力混凝土用鋼鉸線（GB/T 5224-2014）》[5]，預應力鋼絞線彈性模量E 為1.95×105MPa，溫度線膨脹系數α 為1.2×105，鋼絞線的彈性最大伸長率為0.8%左右，其他參數如表1 所示。

預應力鋼絞線的參數表1。

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、約束混凝土、約束套管、中套管、外套管及兩塊端板均采用八節點線性減縮積分單元（即C3D8R）。預應力鋼絞線只承受軸向拉力，采用T3D2 桿單元模擬。約束單元的方鋼管與混凝土間、復位筋與端板間采用綁定（Tie）約束。約束混凝土與內核心鋼板間，兩端板分別和中套管、外套管之間建立面面接觸（Surface-to-Surface Contact）。

3 自復位防屈曲支撐性能分析

自復位防屈曲支撐兼有普通防屈曲支撐和自復位支撐的優點，但對于自復位防屈曲支撐設計的影響因素尚不明確，對復位筋截面面積進行參數敏感性分析。以SCBRB-baseline 構件為基準，預應力復位筋總面積為560mm2，內核單元截面面積為800mm2。SCBRB-A 和 SCBRB-B 構件的復位筋面積分別為SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍，SCBRB-C和SCBRB-D構件的內核心截面面積分別為SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍。

當復位筋截面上應力保持不變時，增加復位筋截面面積相當于增加施加在支撐上的初始預應力。三種復位筋截面面積下BRB滯回曲線和各組成部件受力響應如圖2 和圖3 所示。結果表明，增加復位筋面積后，SCBRB的最大承載力和剛度也有較大的提升，耗能性能變差，而殘余變形顯著減小，支撐的自復位能力有了較大的提升。減小復位筋面積后，SCBRB的最大承載力和剛度隨之減小，而支撐的殘余變形增大，自復位能力減弱。同時，復位筋與內核心受力差值與復位筋截面面積呈正相關關系，其隨復位筋面積的增大而增加，隨復位筋面積的減小而減小。

圖2 不同復位筋面積下的BRB 滯回曲線

圖3 不同復位筋截面面積下的BRB 各組成部件的受力響應

4 結論

結合自復位系統和普通防屈曲支撐提出了通過預應力筋實現自復位功能的自復位防屈曲支撐，基于ABAQUS分析了自復位防屈曲支撐復位筋截面面積對構件性能的影響。保持應力不變，增加復位筋截面面積，即增加初始預應力與內核心屈服力的比值，支撐的承載力和剛度得到提高，殘余變形減小，自復位能力顯著改善。