基于ABAQUS對自復位防屈曲支撐簡化模型驗證與參數分析

摘要：防屈曲支撐在大震下不易屈曲且耗能能力優秀，現廣泛用于高烈度地區結構。但其耗能機制導致支撐震后殘余變形過大，不利于震后修復工作的開展。故對防屈曲支撐增設自復位系統，以大幅度降低其殘余變形。由于自復位防屈曲支撐獨特的“旗形”滯回模型導致其模型復雜且計算量過大，不便應用于實際工程中。針對以上問題，首先通過桿單元和非線性彈簧疊加建立了自復位防屈曲支撐簡化模型并驗證了該簡化模型的可行性。在此基礎上，通過參數分析得到了各類實際參數取值對自復位防屈曲支撐承載力、自復位能力的影響效果。

關鍵詞：自復位防屈曲支撐 簡化模型 參數分析 殘余變形

Verification and Parameter Analysis of a Simplified Model for Self Resetting Buckling Restrained Brace Based on ABAQUS

LIU Weibo

Anhui Provincial Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230031 China

Abstract： Buckling restrained brace is not prone to buckling under strong earthquakes and have excellent energy dissipation capabilities. They are now widely used in structures in high-intensity areas. However， its energy dissipation mechanism leads to excessive residual deformation of the support after the earthquake， which is not conducive to the development of post earthquake repair work. Therefore， a self resetting system is added to buckling restrained brace to significantly reduce its residual deformation. Due to the unique "flag shaped" hysteresis model of self resetting buckling restrained brace， its model is complex and computationally intensive， making it inconvenient to apply to practical engineering problems. This article addresses the above issues by first establishing a simplified model of self resetting buckling restrained brace through the superposition of rod elements and nonlinear springs， and verifying the feasibility of the simplified model. On this basis， this article obtained the influence of various actual parameter values on the bearing capacity and self resetting ability of self resetting buckling restrained brace through parameter analysis.

Key Words： Self resetting buckling restrained brace; Simplified model; Parameter analysis; Residual deformation

近年來，全球地震頻發，在大震情況下各國學者發現普通支撐易提前發生屈曲，進而喪失承載力。為此，有學者于普通支撐外側增加相應約束構件形成防屈曲支撐，其內部為普通鋼板支撐，約束構件能夠防止鋼板支撐過早發生屈曲。防屈曲支撐大震下不屈曲，并為結構體系提供耗能能力。但其耗能機制為其內部鋼板支撐發生屈服而不屈曲，此機制決定了該支撐震后殘余變形過大，不利于震后修復工作開展。目前，國內外學者采用對防屈曲支撐增設自復位裝置形成自復位防屈曲支撐[1-2]以解決此問題。

對于自復位防屈曲支撐，當前對于其有限元模擬較多采用殼單元[3]。該建模方式優點在于可精細化模擬出支撐形狀特點并且能夠得到較為準確的支撐滯回模型，但其缺點在于模擬過于復雜，不易收斂且計算量龐大。因此，對于實際工程應用而言，采用殼單元進行自復位防屈曲支撐建模缺少可操作性。為解決現有建模方式過于復雜的問題，本文通過ABAQUS中的彈簧單元與桿單元進行組合建立了自復位防屈曲支撐簡化模型，并得到其特有的“旗形”滯回曲線。同時，本文通過改變自復位防屈曲支撐中的影響參數，設計8組算例進行參數分析，以此得出了這些參數對于支撐承載力和復位能力的影響。

1算例設計

在以往國內外學者研究中可知，影響自復位防屈曲支撐復位性能的關鍵參數為復位比率[2]，該參數定義為支撐自復位系統初始預應力與其鋼板支撐承載力的比值，具體如式（1）。其中：為考慮摩擦效應的受壓承載力調整系數；為考慮應變硬化效應的承載力調整系數；為防屈曲支撐所用鋼板內芯的屈服應力；為鋼板截面面積。復位比率僅可直觀地反映出自復位防屈曲支撐的復位性能，其對支撐耗能能力的反應并不直觀，因此并不能通過復位比率的大小來判斷出支撐耗能能力的強弱。

據復位比率定義式可知：實際應用中影響自復位防屈曲支撐復位性能的可調整參數具體為3個，其分別是鋼板支撐截面面積、鋼板支撐強度和自復位系統初始預應力大小。因此，本文通過調節此，3項參數共設計了8組算例，同時為體現出自復位防屈曲支撐獨有的特性而增設了1組防屈曲支撐算例進行對比分析，各支撐算例參數如表1所示。所有算例支撐長度均取1 200 mm以避免支撐長度的影響。

2 有限元模型的建立

對于傳統支撐結構來說，在ABAQUS建模過程中，選取正確的材料本構關系是關鍵步驟。但對于自復位防屈曲支撐而言，在ABAQUS中并無其獨特的“旗形”本構模型。故本文采用疊加的思路，即對桿單元采用混合強化模型[4]來模擬防屈曲支撐，同時采用非線性彈簧單元來模擬相應的自復位系統部分。ABAQUS中所建立的自復位防屈曲支撐模型如下圖1所示。

防屈曲支撐所采用混合強化模型須輸入屈服應力、強化參數、強化參數、等向應力equiv stress、最大增加應力以及強化參數b，本文根據參考文獻[3]將各強化參數取值為C1=2 000 MPa ，=37，=10 MPa，。

自復位系統部分采用非線性彈簧進行建立。該建立流程為以下步驟：（1）對已建立完成的防屈曲支撐模型賦予線性彈簧屬性；（2）改寫ABAQUS所產生inp文件中的彈簧參數，將線性彈簧參數修改為所設定的自復位系統受力特性參數。通過以上兩個步驟，便可于ABAQUS中實現非線性彈簧功能。本文所建立的所有算例中均未設置阻尼系數來考慮實際中所存在的摩擦問題。

本文的加載制度采用水平往復加載。加載曲線第一階段為循環加載至100 mm，每級加載增量為8 mm，初始加載幅值為4 mm，循環一圈；第二階段為60 mm幅值，循環5圈。該加載制度所得支撐累計塑性變形較大，滿足傳統防屈曲支撐試驗所規定的累計塑性變形需求[5]。

3 模擬結果分析

自復位防屈曲支撐模型和防屈曲支撐模型經過循環加載所得滯回曲線結果如圖2所示。

從自復位防屈曲支撐有限元模型的模擬結果可知，本文所采用的簡化模型均表現出支撐所特有的“旗形”滯回曲線，故說明采用非線性彈簧結合桿單元能夠有效模擬出自復位防屈曲支撐構件。同時，可知該支撐模型循環加載所得滯回曲線飽滿，獨特的“旗形”滯回曲線表明該支撐在大位移下所產生的殘余變形較小。

根據圖2（a）可知：同位移下算例SCBRB2承載力最大為689.451 kN，而算例SCBRB3承載力相對最小為587.676 kN；SCBRB1殘余變形最小而SCBRB4殘余變形最大，其最大殘余變形分別為4.9365b618f1cadf8b8f98a3b129bae33ffea97d0de255e42481d34f7cf46b9ed4c3 mm和25.64 mm。同一鋼板支撐截面下預應力增大或鋼板強度等級增強均會導致構件承載力增加，而同一鋼板支撐截面下，增大預應力或采用Q235鋼板材質均能夠減小結構殘余變形。

根據圖2（b）可知：同位移下SCBRB6承載力最大而算例SCBRB7承載力最小；SCBRB5殘余變形最小而SCBRB8殘余變形最大。

對比圖2（a）和2（b）可知：在自復位系統預壓力和鋼板強度等級均相同的情況下，增大鋼板支撐截面面積會增強支撐整體耗能能力且降低其自復位性能。

由圖2（b）可知：對防屈曲支撐增加自復位裝置從而形成自復位防屈曲支撐能夠大幅提高支撐整體承載力，同時在合理搭配初始預應力的情況下能夠使支撐殘余變形降低到一個較小值，從而便于后續結構修復[6]。

4 結語

本文在ABAQUS中通過對桿系單元施加非線性彈簧有效地模擬出了自復位防屈曲支撐的“旗形”滯回曲線，驗證了該簡化模擬方法的可行性。并通過ABAQUS對采用不同鋼板支撐截面面積、自復位系統預應力和鋼板強度等級的自復位防屈曲支撐進行參數分析，所得具體結論如下。

（1）在ABAQUS中通過對桿單元增設非線性彈簧可模擬出自復位防屈曲支撐的簡化模型，其具有獨特的“旗形”滯回曲線且便于工程實際使用。

（2）增大鋼板支撐截面面積、增大自復位系統預應力、增強鋼板支撐材質均可增大支撐承載力；反之；則會減小支撐承載力。

（3）減小鋼板支撐截面面積、增大自復位系統預應力或降低鋼板支撐材質均可減小支撐大位移下的殘余變形，反之則會增大支撐殘余變形。支撐殘余變形與自復位系統預應力密切相關。

（4）對比防屈曲支撐，自復位防屈曲支撐因增設了自復位系統而大幅度提高了支撐承載能力，同時在不削減支撐耗能能力的情況下大幅度降低了支撐的殘余變形，為震后整體結構的矯正修復提供了便利。

參考文獻

范璽.采用復合碟簧和SMA筋的新型裝配式混凝土框架節點抗震性能研究[D].西安：長安大學，2023.

湯孟柯.同軸組裝自復位碟簧內置防屈曲支撐滯回性能與設計方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

徐龍河，陳鵬.自復位全鋼型防屈曲支撐的工作原理與滯回特性研究[J].工程力學，2020， 37（12）：147-156.

[4]鄭帥康.組合碟簧自復位防屈曲支撐滯回性能與設計方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[5]住房和城鄉建設部.高層民用建筑鋼結構技術規程：JGJ99—2015 [S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[6]樂晨，曹昱，楊帆，等.基于Abaqus的等邊三角形網格加筋殼建模分析方法及試驗驗證研究[J].導彈與航天運載技術，2019（2）：12-16.