工字型BRB核芯構造對承載力影響的研究

周 珺

(上海申核能源工程技術有限公司，上海 200033)

1 研究背景

某實際工程的工字型BRB外觀尺寸為300 mm×300 mm，長4 m，主要由內芯鋼材、鋼套管和填充料組成。內芯鋼材和填充料間存在無粘結材料，它可以使接觸面無摩擦力，軸向荷載由內芯鋼材承擔。同時該材料有一定體積，在鋼板受壓時，由于泊松比原因需要一定變形空間，這時無粘結可膨脹材料受到擠壓給內核心鋼提供變形空間。本文針對BRB內芯鋼材厚度、外套筒厚度、無粘結材料厚度的影響做模擬分析。建立同力學試驗相符的有限元模型，將影響因素組合變換進行模擬，分析各因素的影響關系。

2 靜力拉壓試驗

本文所選的工字型BRB的靜力拉壓試驗(如圖1所示)設定：依次按1/300，1/200，1/150，1/100變形反復拉壓各3次，按設計要求，屈服承載力設計值4 500 kN，最大承載力6 750 kN，試驗最大變形40 mm。圖2記錄了拉壓雙向的本構滯回曲線，即本文研究所模擬的本構曲線。

3 模擬分析

根據BRB資料建立模型，由于無粘結材料通常由彈模較小材料如橡膠、聚乙烯、硅膠等構成，模型中將其設置為厚度等同無粘結材料的空腔，兩者接觸關系為無摩擦?？紤]內芯鋼材厚度、外套筒厚度、無粘結材料厚度等因素的影響，將其設置為t1，t2，t3。據實t1=35 mm，t2=10 mm，t3=2 mm。鋼套管鋼材Q345，內芯鋼材Q235，C30混凝土填充,見圖3。

上述條件下BRB的計算結果見圖4，此時滯回曲線較飽滿，且最大拉、壓力與試驗數值接近，斜率接近，故計算可較好的模擬BRB靜力拉壓試驗，模型合適。

設置三個影響參數的變量為：內芯鋼材厚度t1=(25/35) mm、外套筒厚度t2=(10/20) mm、無粘結材料厚度t3=(0.5/2) mm時，組合見表1。

表1 各組合參數表

各組合結果與試驗結果對比見圖5，可見各組合下BRB均有良好滯回性，滯回曲線飽滿。

3.1 內芯鋼材厚度t1的影響

為對比內芯鋼材厚度t1對BRB承載能力的影響，將以上組合1/5、組合3/7進行對比，如圖6，圖7所示。組合1中最大拉力、壓力均高于組合5；組合3中最大拉力、壓力均高于組合7。對比各組在彈性范圍內斜率，組合1、組合3均分別高于組合5、組合7?？芍攦刃句摬暮穸萾1變大時，BRB最大承載拉壓力均提高，兩者正相關，且彈性范圍內斜率也隨之增大，即構件剛度增大。

3.2 外套筒厚度t2的影響

為對比外套筒厚度t2對BRB承載能力的影響，將組合3/4、組合7/8進行對比，如圖8，圖9所示。組合4中最大拉壓力均高于組合3；組合8中最大拉壓力均高于組合7。由此，當外套筒厚度t2變大時，BRB最大承載拉壓力均提高，兩者正相關。當外套筒厚度t2變大時，當構件變形為正，內芯鋼材與填充料、外套筒未接觸，對BRB承載力基本無影響；當構件變形為負，其對內部填充料的約束能力增強，并反映到填充料對內芯鋼材的約束作用上，從而提高BRB承載力。

3.3 無粘結材料厚度t3的影響

為對比無粘結材料厚度t3對BRB承載能力的影響，將組合2/4、組合6/8進行對比，如圖10，圖11所示。當無粘結材料厚度t3變大時，BRB最大承載拉壓力都將降低，兩者負相關。隨著間隙的增大，當構件變形為正，內芯鋼材與填充料、外套筒未接觸，其對BRB承載力基本無影響；當構件變形為負，BRB內芯鋼材的約束被降低，其受壓變形時自由空間增大，失穩波幅也隨之增大，支撐承載力與耗能能力隨之降低。

4 結語

本文通過變換組合影響工字型BRB核心本構關系的三個因素，得到其對本構關系影響：當內芯鋼材厚度變大時，BRB最大承載拉壓力、彈性范圍內的斜率都有提高，二者正相關。當外套筒厚度變大時，當構件變形為正，內芯鋼材與填充料未接觸，不影響BRB承載能力；當構件變形為負，其對內部填充料與對內芯鋼材的約束能力增強，從而提高BRB的承載能力。當無粘結材料厚度變大時，當構件變形為正時，內芯鋼材與填充料未接觸，不影響BRB承載能力；當構件變形為負時，BRB內芯鋼材的約束被降低，其受壓變形時的失穩波幅也隨之增大，支撐承載力與耗能能力隨之降低。