姜 濱 賈明明* 惠麗潔

（1、黑龍江省建筑設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱150008 2、哈爾濱工業(yè)大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程災(zāi)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(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)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(jié)構(gòu)很大殘余變形[1]。Miller 等人[2]以傳統(tǒng)防屈曲支撐作為耗能元件，以形狀記憶合金筋作復(fù)位材料合成一種自復(fù)位防屈曲支撐。此外，劉璐[3]和曾鵬[4]等則采用了常見的預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為復(fù)位筋制作自復(fù)位防屈曲支撐，并通過試驗和數(shù)值模擬分析了此類型支撐的滯回耗能和自復(fù)位能力。研究表明這一類型的自復(fù)位防屈曲支撐既能有效控制結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)，也具有良好的自復(fù)位能力。

雖然自復(fù)位防屈曲支撐能有效提高結(jié)構(gòu)滯回耗能能力，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，但相關(guān)設(shè)計的影響因素尚不明確。在此基礎(chǔ)上，本文通過有限元模擬對影響自復(fù)位防屈曲支撐滯回耗能和自復(fù)位能力的參數(shù)進行分析，以期能為自復(fù)位防屈曲支撐的設(shè)計提供幫助。

1 自復(fù)位防屈曲支撐構(gòu)造形式

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

圖1 自復(fù)位防屈曲支撐有限元模型

2 自復(fù)位防屈曲支撐有限元建模

自復(fù)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(gòu)模型。鋼材均采用Q235-B 鋼，服從Von-Mises 屈服準則及相關(guān)流動性法則，本構(gòu)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(fù)位筋采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，在破壞前的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系基本呈線性關(guān)系，依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼鉸線（GB/T 5224-2014）》[5]，預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量E 為1.95×105MPa，溫度線膨脹系數(shù)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(shù)如表1 所示。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線的參數(shù)表1。

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、約束混凝土、約束套管、中套管、外套管及兩塊端板均采用八節(jié)點線性減縮積分單元（即C3D8R）。預(yù)應(yīng)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(fù)位筋與端板間采用綁定（Tie）約束。約束混凝土與內(nèi)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(fù)位防屈曲支撐性能分析

自復(fù)位防屈曲支撐兼有普通防屈曲支撐和自復(fù)位支撐的優(yōu)點，但對于自復(fù)位防屈曲支撐設(shè)計的影響因素尚不明確，對復(fù)位筋截面面積進行參數(shù)敏感性分析。以SCBRB-baseline 構(gòu)件為基準，預(yù)應(yīng)力復(fù)位筋總面積為560mm2，內(nèi)核單元截面面積為800mm2。SCBRB-A 和 SCBRB-B 構(gòu)件的復(fù)位筋面積分別為SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍，SCBRB-C和SCBRB-D構(gòu)件的內(nèi)核心截面面積分別為SCBRB-baseline 的1.25、0.75 倍。

當復(fù)位筋截面上應(yīng)力保持不變時，增加復(fù)位筋截面面積相當于增加施加在支撐上的初始預(yù)應(yīng)力。三種復(fù)位筋截面面積下BRB滯回曲線和各組成部件受力響應(yīng)如圖2 和圖3 所示。結(jié)果表明，增加復(fù)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(fù)位能力有了較大的提升。減小復(fù)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(fù)位能力減弱。同時，復(fù)位筋與內(nèi)核心受力差值與復(fù)位筋截面面積呈正相關(guān)關(guān)系，其隨復(fù)位筋面積的增大而增加，隨復(fù)位筋面積的減小而減小。

圖2 不同復(fù)位筋面積下的BRB 滯回曲線

圖3 不同復(fù)位筋截面面積下的BRB 各組成部件的受力響應(yīng)

4 結(jié)論

結(jié)合自復(fù)位系統(tǒng)和普通防屈曲支撐提出了通過預(yù)應(yīng)力筋實現(xiàn)自復(fù)位功能的自復(fù)位防屈曲支撐，基于ABAQUS分析了自復(fù)位防屈曲支撐復(fù)位筋截面面積對構(gòu)件性能的影響。保持應(yīng)力不變，增加復(fù)位筋截面面積，即增加初始預(yù)應(yīng)力與內(nèi)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(fù)位能力顯著改善。