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        新型鋼板裝配式屈曲約束支撐有限元分析*

        2014-07-05 10:13:14尹繞章鄧雪松
        地震研究 2014年2期
        關(guān)鍵詞:端部屈曲裝配式

        尹繞章,鄧雪松,周 云

        (廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州510006)

        0 引言

        屈曲約束支撐作為一種優(yōu)良的耗能減震構(gòu)件,近年來得到了越來越多的研究和應(yīng)用(Xie,2005;汪家銘,中島正愛,2005;周云,2007;劉晴云等,2009;周云等,2012)。典型的屈曲約束支撐主要由核心單元和外約束單元構(gòu)成。在地震作用下,由于外約束單元的限制,核心單元能夠?qū)崿F(xiàn)屈服而不屈曲,從而大大提高支撐的耗能能力。傳統(tǒng)的屈曲約束支撐通常采用鋼與混凝土組合形成外圍約束,這類構(gòu)件的制作精度要求高,自重大且施工難度大。另外,由于屈曲約束支撐核心單元耗能段和連接段之間會(huì)形成薄弱區(qū)域,如若處理不當(dāng),支撐端部會(huì)出現(xiàn)局部屈曲,影響整個(gè)支撐 的性能(Ju et al,2009;Takeuchi et al,2010;Zhao et al,2012)。

        針對(duì)已有屈曲約束支撐的缺點(diǎn),本文提出一種新型鋼板裝配式屈曲約束支撐,改進(jìn)了端部的加強(qiáng)措施,利用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析,研究螺栓數(shù)量,端部不同構(gòu)造對(duì)屈曲約束支撐耗能性能和承載力的影響。

        1 新型鋼板裝配式屈曲約束支撐的構(gòu)造與特點(diǎn)

        新型鋼板裝配式屈曲約束支撐主要由核心單元、外約束板、墊板、加勁板、端部蓋板等組成,其整體圖、分解圖如圖1a、b所示。核心單元、外約束板、墊板和端部蓋板通過高強(qiáng)螺栓裝配成一體,核心單元與外約束構(gòu)件之間留有一定的間隙,以此來提供核心受力單元受壓過程中由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生的橫向變形所需的空間,加勁板與核心單元的連接段焊成一體,加勁板與外約束板件留有變形縫,采用嵌入式構(gòu)造,并用端部蓋板對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)(圖1c)。

        該新型鋼板裝配式屈曲約束支撐具備以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)支撐完全由鋼板組成,構(gòu)造簡(jiǎn)單,取材容易,自重輕;(2)外約束構(gòu)件由螺栓裝配而成,可以方便拆解,在地震后可檢查核心單元的受損情況,必要時(shí)可進(jìn)行更換,節(jié)約資源;(3)支撐端部采用嵌入式構(gòu)造,加勁板與外約束板端部相互咬合,使該支撐在受壓時(shí)端部薄弱區(qū)域可得到更大程度上的保護(hù)。

        2 模型設(shè)計(jì)

        針對(duì)螺栓數(shù)量,端部不同構(gòu)造對(duì)屈曲約束支撐性能的影響,設(shè)計(jì)兩組試件,分別為A組APB-1~APB-5,B組APB-6。其中APB-1~ APB-5端部采用嵌入式構(gòu)造,螺栓個(gè)數(shù)分別為6、10、18、28、42,相對(duì)應(yīng)的 Lb/Lw分別為 4.5、2.2、1.2、0.7、0.5,Lb為螺栓間距,Lw為核心單元波長(zhǎng),由Chou等(2010)確定;為簡(jiǎn)化模型,僅APB-5端部加蓋板,APB-6端部設(shè)加勁肋,APB-5和APB-6模型三維圖如圖2所示;各個(gè)試件外約束單元和核心單元主要尺寸相同,如表1所示。核心受力單元采用Q235鋼,外鋼板、蓋板、加勁板和墊板皆采用Q345鋼,螺栓為8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓。

        圖1 新型鋼板裝配式屈曲約束支撐(a)整體圖;(b)拆解圖;(c)端部透視圖Fig.1 The schematic drawing of the novel type of steel plate assembled buckling restrained brace(a)the whole diagram;(b)decomposition diagram;(c)front end perspective diagram

        圖2 試件三維模型圖(a)APB-5;(b)APB-6Fig.2 3D model of specimens

        表1 試件主要尺寸Tab.1 Main dimension of the specimens

        3 有限元模型的建立

        3.1 單元的選擇與材料本構(gòu)

        利用ABAQUS/Standard分析模塊進(jìn)行建模。所有構(gòu)件均采用C3D8R單元模擬,考慮鋼材的包辛格效應(yīng),采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,鋼材的彈性模量取Es=206 000 MPa,切線模量Et=0.02E,泊松比取為0.3。

        3.2 接觸定義

        核心板與外約束接觸面法向作用采用“硬接觸”,不考慮核心板與外約束之間的摩擦作用,接觸面的切向作用采用Frictionless,默認(rèn)摩擦系數(shù)為零,選用有限滑移公式,螺栓和螺栓孔之間采用tie接觸。

        3.3 加載制度與邊界條件

        模擬采用位移加載控制,標(biāo)準(zhǔn)位移加載幅值分別為l/300(5.0 mm)、l/200(8.0 mm)、l/150(11.0 mm)、l/100(16.0 mm),l為支撐長(zhǎng)度(GB50011-2010)。屈曲約束支撐的端部邊界條件為一端鉸接,另一端約束住徑向,軸向加載。

        4 有限元結(jié)果分析

        4.1 螺栓對(duì)支撐性能的影響

        4.1.1 不同螺栓間距下主要部件最大應(yīng)力對(duì)比

        圖3為典型試件APB-1和APB-3的核心單元與外約束構(gòu)件變形圖。由變形圖可知,APB-1外約束單元出現(xiàn)了局部鼓曲,外約束板最大應(yīng)力達(dá)到了381 MPa,發(fā)生屈服;核心單元局部應(yīng)力幅值過大,未能實(shí)現(xiàn)全截面屈服,其最大應(yīng)力為390 MPa,有可能超過其極限強(qiáng)度而發(fā)生破壞。APB-3外約束構(gòu)件整體性良好,應(yīng)力較小,未出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象;核心單元實(shí)現(xiàn)多波屈曲,且應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向分布均勻。可見,螺栓間距對(duì)支撐的穩(wěn)定性及部件性能的發(fā)揮有至關(guān)重要的影響。表2列出了不同螺栓間距下各部件最大應(yīng)力,由表可得,APB-1(Lb/Lw=2.1)各部件除加勁板外均超過了其屈服強(qiáng)度;APB-2(Lb/Lw=2.1)外約束構(gòu)件應(yīng)力相對(duì)較大,在更大加載位移的作用下,可能會(huì)面臨局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn);而APB-3~APB-5(Lb/Lw<2)的外約束構(gòu)件的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服應(yīng)力,可見此種情況下外約束構(gòu)件的整體性與穩(wěn)定性可以得到有效保障。

        圖3 APB-1和APB-3外約束構(gòu)件及核心單元變形圖(a)APB-1外約束構(gòu)件;(b)APB-1核心單元;(c)APB-3外約束構(gòu)件;(d)APB-3核心單元Fig.3 Deformation of the external restraining member and core unit of APB-1 and APB-3(a)external restraining member of APB-1;(b)core unit of APB-1;(c)external restraining member of APB-3;(d)core unit of APB-3

        表2 不同螺栓間距下各部件最大應(yīng)力對(duì)比Tab.2 Maximum stress contract of various parts with different bolt spacing

        4.1.2 不同螺栓間距下試件滯回曲線

        圖4為不同螺栓間距下試件的滯回曲線。由圖4可以看出,APB-1滯回曲線出現(xiàn)了內(nèi)縮和畸變,承載力顯著下降,而APB-2~APB-5的滯回曲線幾乎重合,均規(guī)則飽滿,承載力和耗能能力穩(wěn)定。

        圖4 APB-1~APB-5滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves from APB-1 to APB-5

        綜上所述,考慮到外約束構(gòu)件的整體性以及核心單元的耗能性能,建議Lb/Lw≤2。

        4.2 不同端部構(gòu)造比較

        圖5為APB-5和APB-6滯回曲線,從圖中可以看出,兩試件滯回曲線規(guī)則飽滿,耗能能力穩(wěn)定,可見設(shè)加勁肋和嵌入式端部處理方式對(duì)支撐滯回性能影響不大。

        圖5 APB-5~APB-6滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves from APB-5 to APB-6

        圖6為APB-5及APB-6核心單元軸向應(yīng)力隨著支撐兩端長(zhǎng)度方向的分布圖,對(duì)比的端部長(zhǎng)度約為270 mm(核心單元伸出外約束構(gòu)件處到支撐末端的長(zhǎng)度范圍)。在加載端對(duì)比的長(zhǎng)度范圍內(nèi),APB-5核心單元平均應(yīng)力約為112 MPa,APB-6核心單元平均應(yīng)力約為235.68 MPa,相差約50%;在鉸接端對(duì)比的長(zhǎng)度范圍內(nèi),APB-5核心單元平均應(yīng)力約為119 MPa,APB-6核心單元平均應(yīng)力約為237.2 MPa,相差約49%??梢?,APB-5相比APB-6而言,端部應(yīng)力有較大幅度的降低。

        圖6 APB-5和APB-6核心單元軸向應(yīng)力沿支撐兩端長(zhǎng)度方向的分布圖(a)加載端;(b)鉸接端Fig.6 Distribution of axial stress on the core unit of APB-5 and APB-6 along axial length of the support ends(a)loading end;(b)hinged end

        由以上分析可以得到:相比設(shè)加勁肋構(gòu)造,嵌入式構(gòu)造對(duì)支撐端部有較為明顯的加強(qiáng)作用,能降低端部發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性。

        5 結(jié)論

        (1)新型鋼板裝配式屈曲約束支撐滯回曲線飽滿,具有穩(wěn)定的耗能能力。

        (2)螺栓間距對(duì)支撐有至關(guān)重要的影響,建議 Lb/Lw≤2。

        (3)新型鋼板裝配式屈曲約束支撐端部嵌入式構(gòu)造對(duì)支撐端部有較為明顯的加強(qiáng)作用。

        感謝周云老師對(duì)本研究工作的悉心教導(dǎo)和幫助。

        劉晴云,閆鋒,汪大綏,等.2009.屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,4(11):27-35.

        汪家銘,中島正愛.2005.陸燁,譯.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展(I)[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,7(1):1-12.

        周云,唐榮,鐘根全,等.2012.防屈曲消能支撐研究與應(yīng)用的新進(jìn)展[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),32(4):393 -407.

        周云.2007.防屈曲消能支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

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        Takeuchi T.,Hajjar J.F.,Matsui R.,et al.2010.Local buckling restraint condition for core plates in buckling restrained braces[J].Journal of Constructional Steel Research,66(2):139 -149.

        Xie Q.2005.State of the Art of Buckling-restrained Braces in Asia[J].Journal of construction Steel Restrained,61(6):727 -748.

        Ju Y.K.,Kim M.H. ,Kim J.,et al.2009.Component tests of bucklingrestrained braces with unconstrained length[J].Engineering structures,31(2):507 -516.

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