位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐滯回性能分析與數(shù)值模擬

張路平,尚朝陽,陳麒丞,張浩宇,魯軍凱

(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江,哈爾濱 150040)

1 引 言

防屈曲支撐由于具有良好的抗震性能和耗能能力,被廣泛應(yīng)用于工程中[1]。其不僅可為結(jié)構(gòu)提供有效的抗側(cè)剛度,同時亦可在地震作用下減少結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)和損傷[2-4]。國內(nèi)外學(xué)者已就普通防屈曲支撐的約束機(jī)理、耗能機(jī)理和失效機(jī)理[5,6]等進(jìn)行了充分的研究和論證。然而,裝有普通防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)在遭遇中震和大震后可能會產(chǎn)生較大的殘余變形,導(dǎo)致修復(fù)代價極為高昂。近年來引起眾多學(xué)者廣泛關(guān)注的自復(fù)位耗能支撐不僅具有較好的耗能能力,同時兼具極佳的自恢復(fù)特性,可減小結(jié)構(gòu)在震后的殘余變形。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者基于性能化地震工程的發(fā)展需求[7],提出了多種具有自復(fù)位功能的耗能支撐。Miller等[8]于2011年將形狀記憶合金絞線與普通鋼索相連構(gòu)成的自復(fù)位系統(tǒng)與防屈曲支撐組合而成自復(fù)位防屈曲支撐并完成試驗(yàn)研究。劉璐等[9]于2012年提出一種預(yù)應(yīng)力鋼絞線式自復(fù)位防屈曲支撐,試驗(yàn)研究結(jié)果表明自復(fù)位防屈曲支撐的軸向變形能力受到預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性變形能力的限制。周中哲等[10]于2012年提出一種雙核心自復(fù)位支撐,并通過試驗(yàn)證明該支撐具有較好的滯回性能及耗能能力。曾鵬等[11]于2013年將串聯(lián)的鋼絞線引入全鋼防屈曲支撐,提出一種位移放大型全鋼自復(fù)位防屈曲支撐,該支撐利用兩束串聯(lián)的預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)成自復(fù)位系統(tǒng),以保證提高自復(fù)位防屈曲支撐的軸向變形能力。

盡管傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋線自復(fù)位防屈曲支撐可以減小結(jié)構(gòu)的殘余變形,但卻受限于較差的鋼絞線彈性變形能力而無法充分發(fā)揮支撐的耗能能力。依托于國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目(編號:202110225164),提出一種位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐,通過數(shù)值仿真研究初始預(yù)應(yīng)力、復(fù)位筋種類和彈性模量等幾個主要因素對支撐滯回性能的影響。

2 位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的提出

如圖1所示,位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐由防屈曲支撐和自復(fù)位系統(tǒng)兩部分組成。防屈曲系統(tǒng)有內(nèi)、外約束套管,內(nèi)套管為方形矩形截面,對耗能內(nèi)芯起到約束和支撐的作用,防止受壓時出現(xiàn)過早面外屈曲。一字形耗能內(nèi)芯包括中間削弱部分的屈服段和兩端截面擴(kuò)大的非屈服段,同時在屈服段和非屈服段之間為光滑過渡段以減少應(yīng)力集中。自復(fù)位系統(tǒng)由8根預(yù)應(yīng)力筋、外端板和內(nèi)端板組成。兩側(cè)端板均是十字形槽孔,以便左右十字形連接件受到壓力時順利通過,從而使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生復(fù)位拉力。

圖1 位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐組裝示意圖

3 有限元模型建立

采用Abaqus建立自復(fù)位防屈曲支撐的有限元模型,其中內(nèi)核心單元、約束套管、中套管、外套管及兩塊端板均采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體的減縮積分單元(C3D8R)。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用桿單元模擬(T3D2)。自復(fù)位系統(tǒng)所用復(fù)位筋材料均采用雙折線彈塑性模型,如圖2所示,屈服后剛度Es取為1%彈性模量。其中fy和εy分別為屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變,fu和εu為極限應(yīng)力和極限應(yīng)變,E0為彈性模量,E0= 20 GPa。

圖2 鋼材本構(gòu)關(guān)系

支撐內(nèi)芯與約束板之間,兩端板與中套管及外套管之間分別建立面面接觸(Surface-to-Surface Contact),其余不發(fā)生滑動或接觸的部分采用Tie約束連接。在兩端加載點(diǎn)處設(shè)置參考點(diǎn),并將參考點(diǎn)與支撐內(nèi)芯兩端耦合,以便于加載方式及邊界條件的設(shè)置。支撐邊界條件為簡支,即釋放所有內(nèi)芯端部轉(zhuǎn)動約束。支撐加載采用位移控制模式完成。經(jīng)試算,網(wǎng)格尺寸采用15 mm時可以保證較高的計算精度及計算效率。數(shù)值模型中其他參數(shù)見表1,其中SS、AF、BF分別代表鋼絞線、玄武巖復(fù)位筋和芳綸纖維復(fù)位筋。

表1 復(fù)位筋參數(shù)及分析結(jié)果

4 有限元結(jié)果及分析

各試件在加載初期所有部件均處于彈性狀態(tài)。隨著加載位移的逐漸增大,支撐內(nèi)芯及復(fù)位筋的應(yīng)力隨之增大。達(dá)到支撐的屈服荷載時,支撐內(nèi)芯耗能段發(fā)生屈服,如圖3(a)所示。圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)分別顯示了當(dāng)支撐內(nèi)芯發(fā)生屈服時,外套管、支撐核心區(qū)以及復(fù)位筋的應(yīng)力狀態(tài)。該狀態(tài)下僅有耗能內(nèi)芯處于彈塑性狀態(tài),其余部件均為彈性,且應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。圖4給出各試件力-位移曲線,5個試件在加載過程中滯回曲線呈現(xiàn)明顯的“旗幟”特征,且未出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度的下降,說明該支撐具有較好的滯回耗能特性及自復(fù)位能力。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐滯回曲線

圖5列出并對比了各試件的骨架曲線。5個自復(fù)位防屈曲支撐發(fā)生屈服后,曲線均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),剛度隨之降低,并伴有承載力的提高。根據(jù)圖5對比可知,復(fù)位筋材料對支撐初始剛度的影響較小,但對支撐的屈服后剛度及承載力影響較大;預(yù)拉力對自復(fù)位支撐的初始剛度及屈服后剛度影響較小,但是當(dāng)預(yù)拉力較小時,提高預(yù)拉力水平可以大幅提高支撐的承載能力。

圖5 骨架曲線對比

圖6對比了各試件的滯回曲線。各試件的滯回曲線均呈現(xiàn)明顯的自復(fù)位防屈曲支撐所特有的“旗幟型”特征。圖6(a)對比了不同復(fù)位筋材料對位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐滯回性能的影響。顯然,復(fù)位筋采用鋼絞線復(fù)位筋支撐的屈服后剛度較大,玄武巖復(fù)位筋次之,芳綸纖維復(fù)位筋最小。三種自復(fù)位筋對應(yīng)的支撐復(fù)位能力幾乎相同。由表1可知,三種復(fù)位筋材料主要區(qū)別為彈性模量及屈服強(qiáng)度,而自復(fù)位防屈曲支撐在設(shè)計時應(yīng)保證復(fù)位筋處于彈性,因此影響三種支撐滯回響應(yīng)的因素僅有彈性模量這一特性。自復(fù)位防屈曲支撐復(fù)位系統(tǒng)的剛度主要取決于復(fù)位筋的剛度,因此由圖6(a)可知,隨著自復(fù)位系統(tǒng)剛度的增加,位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的屈服后剛度隨之增加,自復(fù)位能力受復(fù)位系統(tǒng)剛度影響較小。

圖6 滯回曲線對比

圖6(b)對比了不同預(yù)拉力對位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐滯回性能的影響。復(fù)位筋預(yù)應(yīng)力為400及600 MPa時,位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的承載力及自復(fù)位能力均大于預(yù)應(yīng)力為200 MPa時對應(yīng)的支撐性能,但三種支撐滯回曲線的包絡(luò)面積基本相同。以上結(jié)果表明,位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的耗能能力受預(yù)拉力影響較小,即自復(fù)位支撐的耗能能力主要取決于其耗能內(nèi)芯的形變量,與自復(fù)位系統(tǒng)無關(guān)。位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的復(fù)位能力與預(yù)拉力大小有關(guān),但二者并非簡單的線性關(guān)系。當(dāng)預(yù)拉力較小時,支撐的復(fù)位能力隨預(yù)拉力增加而增加(SC-1,SC-4),當(dāng)預(yù)拉力達(dá)到某一限值時,支撐的復(fù)位能力保持一定(SC-4,SC-5)。

5 結(jié) 論

提出了一種位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐,利用Abaqus有限元分析軟件對其進(jìn)行精細(xì)化建模分析,研究不同復(fù)位筋材料及預(yù)拉力水平對支撐滯回性能的影響。結(jié)果表明位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐具有較好的滯回性能及自復(fù)位能力。位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐承載力隨自復(fù)位系統(tǒng)剛度增加而增加,自復(fù)位能力受自復(fù)位系統(tǒng)剛度影響較小。位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的耗能能力受預(yù)拉力影響較小,在一定范圍內(nèi),提高預(yù)拉力水平可以降低位移放大型自復(fù)位防屈曲支撐的殘余變形,提升其自復(fù)位性能。