新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐的耗能性能分析

屠義新，袁 波，易金剛

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐的耗能性能分析

屠義新，袁 波*，易金剛

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

本文主要介紹了新型剪切型全裝配防屈曲耗能支撐的構造，通過理論推導出剪應力起控制作用時所滿足的高寬比以及外套鋼管的內外半徑的確定。通過有限元軟件ABAQUS分析縫隙間小板塊的高寬比，高厚比對滯回曲線的影響，最后得出本文所研究的新型剪切型防屈曲耗能支撐的耗能能力是較強的。

全裝配；剪切型；防屈曲支撐；耗能能力分析；滯回性能

防屈曲耗能支撐(Buckling- Restrained Braces 簡寫BRB)是一種特殊的中心支撐，它由三部分組成，即核心受力單元，外約束單元，滑動機制單元。最初是由印度工程師Shuhaibar發明并研究的，之后各國的學者根據類似的原理發展出各類不同的形式。它克服了傳統的支撐在承載力還沒有達到屈服承載力之前就因整體屈曲而退出工作的缺點，從而使支撐的承載力顯著提高甚至超過了材料的屈服強度，因而充分利用了鋼材的彈塑性性能耗散地震能量，因此提高了結構的抗震性能。然而這類防屈曲耗能支撐還有一些不足人意的方面，如：外支撐鋼管與核心受力構件之間的間隙應該預留多少才是最合適的，到目前為止還沒有成熟的統一數學表達式；沒有比較準確的公式能用于防屈曲耗能支撐計算它的耗散能量大小，只能根據實驗的滯回曲線估計防屈曲耗能支撐的性能；防屈曲耗能支撐在工作階段，外套鋼管會相對核心構件滑動，對構件也會造成不利的影響；當構件損壞后需要更換整個裝置。

本文研究的新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐可以有效的避免上述除第二個問題之外的問題。它與傳統的防屈曲耗能支撐的工作機制不同，傳統的防屈耗能支撐主要是依靠核心構件在軸向拉壓力作用下的軸向彈塑性變形耗散能量。而本文研究的新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐主要是依靠核心構件的剪切變形耗散能量。

1 新型剪切型防屈曲耗能支撐的構造

圖1為新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐構件圖，主要由三部分組成，即核心開縫耗能鋼板，支撐角鋼，外套鋼管。整個構件一共8片開縫耗能鋼板，左右各4片，為了保證支撐核心構件(由外套鋼管內部兩端的各4片開縫耗能鋼板和4支角鋼組成)在外力作用下沿著耗能構件軸向能夠自由伸縮，在兩組核心構件之間留有足夠的縫隙(圖1(c)中預留縫隙)。開縫耗能鋼板(圖1(c))由鋼板通過激光切割形成多條均勻縫隙形成。開縫耗能鋼板通過高強螺栓一邊與外套鋼管固定連接，一邊與角鋼固定連接，如圖1(b)所示。

2 開縫耗能鋼板的理論分析

2.1 受剪板塊的高寬比確定

防屈曲耗能支撐上下兩端與梁柱相連，在地震作用下，樓層上下兩端發生相對位移，防屈曲耗能支撐隨著發生軸向位移。在角鋼的拉壓力作用下，開縫耗能鋼板將發生彎剪變形。由結構力學可知當高寬比h/w較大時，彎矩起控制作用。小板塊兩端首先拉壓屈服;當高寬比h/w較小時，剪力起控制作用，板中部首先剪切屈服。設角鋼受到軸向的合力為Fn，每端4片開縫耗能鋼板，平均每片開縫耗能鋼板承受的軸向力為Fi=Fn/4，設一片開縫耗能鋼板被縫隙分隔成n塊小板塊，則每塊小板塊受到的剪力為F=Fi/n，現取開縫耗能鋼板中間的小板塊來推導先發生剪切屈服時的高寬比，計算簡圖如圖2所示。

圖1 構造圖

圖2 計算簡圖

小板塊頂端的彎矩為：

(1)

因此最大拉(壓)應力為：

(2)

其中：t——開縫耗能鋼板的厚度。

當拉(壓)應力到達屈服強度時：σ=fy

(3)

故拉(壓)屈服時的剪力為：

(4)

最大剪應力為：

(5)

(6)

故受剪屈服時的剪力為：

(7)

當剪應力和拉(壓)應力同時達到屈服時有：Fτ=Fp

(8)

因此界限高寬比為：

(9)

開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的變形由兩部分組成：彎矩變形和剪切變形。隨著高寬比的減小，剪切變形在總變形中所占的比重逐漸增大，現推導高寬比參數變化對開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊剪切變形的影響。

小板塊的彎曲變形為：

(10)

小板塊的剪切變形為：

(11)

式中：fs——剪應力分布不均勻系數，對于矩形截面取1.2。本文鋼材的泊松比取v=0.3，則：

因此剪切變形為：

(12)

剪切變形占總變形的比重為：

(13)

當小板塊的剪切變形所占的比重大于80%時，小板塊的彎曲變形所占的比重小于20%。這時可以認為小板塊屬于剪切變形而忽略彎曲變形。有：

(14)

(15)

2.2 外套鋼管的內外半徑的確定

設開縫耗能鋼板的寬度為wb、厚度為tb、兩邊嵌入角鋼和外套鋼管的寬度均為d，外套鋼管的厚度為t。則外套鋼管內半徑為：r=wb-d+tb/2，外半徑為：R=r+t。

2) 強度高修復效果好。復合材料補片力學性能優異，抗拉強度和抗剪切強度高。損傷結構-膠粘劑-復合材料補片三者為一體的再制造修復結構能夠承受更高載荷，延展性能也同時被優化。

3 剪切型防屈曲耗能支撐的有限元分析

3.1 材料參數選取

為了使開縫耗能鋼板提前進入屈服階段耗能，本文開縫耗能鋼板采用低屈服點鋼材LYP100，外套鋼管和角鋼均采用Q550鋼，彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比λ=0.3。本構關系均采用理想彈塑性模型。

3.2 模型的建立

采用ABAQUS/Standard通用分析模塊進行計算分析。由于本文主要研究開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的高寬比，高厚比對耗能能力的影響。故忽略螺栓對開縫耗能鋼板的影響，認為開縫耗能鋼板的兩邊分別牢固地和角鋼，外套鋼管固定在一起。網格劃分采用8結點6面體線性減縮積分單元(C3D8R)。加載制度參照美國OSHPD規定的標準。分別以位移10、20、35、50、70、90、110 mm加載兩個循環，加載歷程如圖3所示。

圖3 位移加載曲線

3.3 高寬比對滯回曲線的影響

為了研究小板塊的高寬比對滯回曲線的影響，本文保持其它參數不變，只改變小板塊的寬度。小板塊之間的縫隙寬度取50 mm，高度取300 mm。開縫耗能鋼板的寬度取400 mm，兩邊分別留50 mm與角鋼和外套鋼管連接，厚度取6 mm。外套鋼管厚度取10 mm，角鋼的厚度取15 mm。每一塊開縫耗能鋼板分隔成5條小板塊。本文取7組高寬比進行分析研究，其尺寸參數如表1所示。各模型的最大和最小軸向力值的絕對值的和的平均值U(|max|+|min|)/2(以下簡稱最大軸力)的比較見表2，模型1W400分析結果的應力云圖、各模型的滯回曲線圖如圖4、圖5所示。

表1 各模型的小板塊參數表 mm

表2 各模型的最大軸力值

(a)外套鋼管

(b)左端開縫耗能鋼板圖4 模型1W400的應力云圖

圖5 各模型的滯回曲線圖

從圖4(a)可以看到模型1W400的外套鋼管的應力是比較小的且不超過80 N/mm2，中間的應力較兩邊的應力稍大，這是因為外套鋼管中間有300 mm的長度沒有開縫耗能鋼板與外套鋼管共同受力?？梢约右粔K與開縫耗能鋼板等厚，寬等于它嵌入外套鋼管內的寬度的鋼板，能有效的解決在壓應力作用下的應力不均勻狀態。

從圖4(b)可以看出：(1)開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的大部分面積已達到屈服應力狀態，開縫耗能鋼板與外套鋼管連接的區域受力較小。小板塊兩邊的中部有一小塊區域的應力小于其它部分，隨著高寬比的減小這種情況會慢慢轉好，當高寬比為0.5時(模型4W600)小板塊在某一加載位移時應力進入屈服應力的面積達到最大。

從圖5可以看到各個模型的滯回曲線均飽滿，說明本文研究的剪切型防屈曲耗能支撐的耗能能力是比較強的。隨著高寬比的減小它的耗能面積逐漸增大。從圖5(b)至(g)可以看見滯回曲線圖的兩側向外鼓，說明比圖5(a)飽滿。從圖5各圖對比發現：圖5(b)的最大軸力明顯大于圖5(a)，說明在同一個耗能周期中圖5(b)的耗能能力強于圖5(a)，隨著高寬比的減小最大軸力的增量逐漸減小。從表2可以看到當板的寬度達到550時，隨著寬度的繼續增大，最大軸力的相對增量幾乎為零。通過圖5和表2可以確定當小板塊的高度為300 mm時，小板條的寬度取550～600為最佳。

3.4 高厚比對滯回曲線的影響

對本參數的研究保持其它的參數不變，只改變開縫耗能鋼板的厚度t?？紤]到開縫耗能鋼板厚度的增加，它的剛度會增大，因此角鋼和外套鋼管的相對剛度將減小。為了減小角鋼和外套鋼管的相對剛度的減小對本參數研究的影響，在此角鋼和外套鋼管的厚度均取20 mm。開縫耗能鋼板的寬度取400 mm，小板條的高度取300 mm，寬度取600 mm，一塊開縫耗能鋼板被4條縫隙分隔成5塊小板塊?？p隙的高度取300 mm，寬度取50 mm。本文取7組高厚比進行分析對比。模型的參數如表3所示。各模型的最大軸力的比較見表4，模型1T2分析結果的應力云圖、各模型的滯回曲線圖如圖6、圖7所示。

表3 各模型的小板塊參數表 mm

(b)左端開縫耗能鋼板圖6 模型1T2應力云圖

模型編號U(|max|+|min|)/2增量百分比/%1T212552T425101255100．03T63765125550．04T840703058．15T104160902．26T1242801202．97T1444001202．8

圖7 各模型的滯回曲線圖

從圖6(a)可以看出外套鋼管的受力比較均勻，且受到的應力比較小，沒有超過80 N/mm2。這是因為外套鋼管的剛度相對于開縫耗能鋼板的剛度較大。從圖6(b)可以看出在某一加載位移時，開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的絕大多數面積的應力達到屈服應力。在小板塊的兩邊中間有一小塊區域的應力略小于其它部分的應力，沒有達到全區域屈服。開縫耗能鋼板與鋼管的連接區域受力較小，因為它不是要算入耗能區域的面積，且它受到的應力越小對構件的受力越有利。

從圖7可以看出各個模型的滯回曲線比較飽滿，說明本文研究的防屈曲耗能支撐的耗能能力是比較強的。由圖7(a)和(b)的對比可以發現，當開縫耗能鋼板的厚度由2 mm增加到4 mm時的最大軸力增加至原來的2倍，耗能能力明顯增強。圖7(a)兩側的曲線幾乎看不出向外鼓，而圖7(b)至(g)兩側的曲線明顯向外鼓。說明模型1T2的耗能曲線沒有其它模型的耗能曲線飽滿。從表4可以看到隨著高厚比的減小，最大軸力的增量百分比先增大后減小，最后趨于2.9%。從圖7和表4的觀察和分析可以確定對于高度為300 mm，厚度為600 mm的小板塊的厚度取8～10為最佳，即小板塊高厚比取30～38比較合適。

4 結論

(1)本文研究的新型剪切型全裝配式防屈曲耗能支撐的耗能能力是比較強的，在滿足剪切變形屈服先于彎曲變形屈服時的高寬比時，模型的滯回曲線均是比較飽滿的。

(2)開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊高寬比應在0.5～0.55范圍內比較合適，高厚比應在30～38的范圍內比較合適。

(3)在特定的高寬比下，考慮到角鋼的受力性能，開縫耗能鋼板劃分的小板塊數目不易過多。

(4)開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的高寬比達到0.55時，隨著高寬比繼續減小，最大軸力值的增量百分比幾乎為零。而隨著高厚比的減小，最大軸力值的增量百分比先增大后減小，最后趨于2.9%。因此在實際工程應用中，通過改變開縫耗能鋼板縫隙間的小板塊的高厚比來改變剪切型防屈曲耗能支撐的承載力更為有效。

[1] 趙俊賢，吳斌，歐進萍.新型全鋼防屈曲支撐的擬靜力滯回性能試驗[J].土木工程學報，2011，44(4):60-70.

[2] 王華琪，丁潔民，姚興華.防屈曲支撐理論分析與有限元模擬[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2008，24(2)：191-195.

[3] 劉佳，吳京.屈服約束支撐剛度與屈服力匹配關系研究[J].世界地質工程，2013，29(2)：138-144.

[4] 盧愛貞，張紀剛，劉鑫.防屈曲剛支撐滯回性能有限元分析[J].青島理工大學學報，2010，31(4)：30-35.

[5] 賈明明，呂大剛，于曉輝.工字形截面非屈服斷防屈曲支撐滯回性能試驗研究[J].土木工程學報，2014，47(增刊2)：69-73.

[6] 程光煜，葉列平，催鴻超.防屈曲耗能鋼支撐設計方法的研究[J].建筑結構學報，2008，29(1)：40-48.

[7] 周云.防屈曲耗能支撐結構設計與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[8] 王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[9] 鄭延銀，吳鑫，強寒丹.雙T型內核與角鋼約束屈曲支撐的滯回性能[J].工業建筑，2013，43(11)：99-104.

[10] 高爾新，王永貴.雙角鋼屈曲約束支撐滯回性能研究[J].建筑結構，2013，43(9)：72-77.

[11] 王詩強.新型三重鋼管防屈曲耗能支撐有限元分析[J].水力采煤與管道運輸，2009(3)：78-80.

[12] 周云，錢洪濤，褚洪民，等.新型防屈曲耗能設計原理與性能研究[J].土木工程學報，2009，42(4)：64-71

[13] 馬寧，吳斌，歐進萍.全鋼防屈曲支撐局部穩定性設計[J].工程力學，2013，30(1)：134-139.

[14] 劉峰.新型防屈曲剪切鋼板阻尼器性能研究[D].南京：東南大學，2014.

(責任編輯：周曉南)

Energy Dissipation Capability Analysis of New Shear- type of Whole Assemble Buckling- restrained Brace

TU Yixin，YUAN Bo*，YI Jinggang

(Space Structures Research Center, Guizhou University，Guiyang 550003, China)

The structure of new shear- type of whole assemble buckling- restrained brace was introduced, some requests of the deep- width ratio under the control of shear stress proposed and an algorithm of determining the inner to outer radial of the coat steep pipe was given. The deep- with ratio and deep- thickness ratio of small plates between the gaps impact on hysteretic performance were analyzed by using finite element software ABAQUS. The new shear- type of whole assemble buckling- restrained brace has enough energy dissipation capacity.

whole assemble；shear- typed；buckling- restrained brace；energy dissipation capability analysis；hysteretic performance

1000-5269(2016)06-0077-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.18

2016-04-15

國家自然科學基金項目資助(51168010)

屠義新(1987-)，男，在讀碩士，研究方向：工程結構抗震，Email：331423887@qq.com.

*通訊作者： 袁 波，Email：superyuanbo@163.com.

TU352.11

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