H型钢自复位屈曲支撑抗震研究

赵杰 ，关群 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

我国的土木工程长期承受着地震的影响，由于我国地域广阔，包含多种地貌特征与场地类型，各地承受地震的危害也大有不同，震灾过后，建筑结构因为变形无法复原的原因，安全性存在着重大的隐患，重建工作的顺利进行变得尤为重要。装配式钢结构的使用能够满足重建工作的短周期、抗震好、安全性高等优点，并且大量使用装配式钢构件也符合我国目前钢产量过剩现状和大力发展绿色建筑的政策方针。将复位系统加入装配式建筑中，使构件在地震作用下产生的参与形变得到一定程度的复原，不仅保障受地震作用之后建筑的安全性能，同时提升了构件的使用寿命。

防屈曲支撑的优点在于不增加构件刚度，依靠侧向约束的作用，阻止核心构件发生过度的屈曲，提升构件的承载力，但是受地震作用，核心构件会产生不可复原的残余形变，成为结构安全的一大隐患。自复位防屈曲支撑结合了防屈曲支撑与自复位系统的优点，在增加承载力的同时，减小防屈曲支撑的残余形变，促使自恢复性防屈曲支撑的应用范围更加广泛与实用。但部分自复位支撑的设计都过于复杂，材料使用昂贵，对于工程造价和施工依然存在不利影响。

目前，防屈曲支撑的研究已趋向成熟，国内外专家进行过大量的研究[1-4]，按照约束部件可分为：混凝土约束、钢约束。按照核心构件的截面可以分为：一字、十字和型钢芯。混凝土约束，由于施工工艺不好控制，且周期长无法精准控制构件质量；全钢约束，生产周期短，可以控制约束部件与核芯部件的约束间隙，能够保证构件的成品质量，符合安全绿色建筑要求。一字内芯承载能力低[5]，十字形内芯初始缺陷严重[6]。H型屈曲支撑有着较好的受力性能[7-9]。

2010年 Oda与Usami[10]对 H型钢屈曲支撑进行了研究，如图1所示，研究结果表明H型屈曲支撑拥有良好的耗能能力，但由于约束部件对于型钢翼缘内侧约束程度过小，导致一根构件局部屈曲严重促使构件破坏，未达到理想承载力。

图1 H型钢防屈曲支撑

文章总结上述提出的问题，提出一种新型H型自恢复防屈曲支撑，本支撑采用H型钢作为耗能内芯，采用型钢与钢管作为约束部件，高强弹簧作为自恢复系统形，整体采用螺栓与卡扣方式装配而成，通过使用ABAQUS有限元模拟软件进行分析，结果表明，相对于传统的防屈曲支撑，残余形变量一定程度的消除，承载力得到明显的提升。

1 新型自复位屈曲支撑的设计

新型自复位防屈曲支撑按照功能由以下两个部件构成：H型防屈曲支撑（HBRB）和自复位系统（SC)。

1.1 H型钢防屈曲支撑与复位系统

新型H型防屈曲支撑如图2所示，由全钢约束部件、H型钢耗能内芯、加强板和高强弹簧组成。H型组合型钢为主要耗能内芯，防止连接段在屈服段发生明显屈曲之前发生屈曲破坏，将连接段利用钢板依次加强，将C字型钢放入H型钢槽中，再依照图中依次装上一字型钢板，利用高强螺栓组合完成，加强板深入约束钢板3%的长度，保证约束部位始终在约束部位以内，将作为恢复系统的高强弹簧部件依次放入预先留好的连接板中间，利用螺栓依次连接完成。两端与结构部件正常连接。

图2 新型自恢复型屈曲支撑

耗能内芯的理论模型采用理想的双线性模型，如图3所示，Fc其中为内芯轴力，uc为耗能内芯轴向形变量。

复位装置由连接板与高强压缩弹簧构成，四组分别前后左右对称放入预留在耗能装置和约束装置中的安装孔位，耗能装置与约束装置不直接相连，通过高强弹簧相连，通过高强弹簧拉伸和压缩达到自复位的性能。复位系统的受力模型采用线弹性模型弹簧钢度为Ks1。

1.2 自复位系统与H型钢防屈曲支撑联合工作

图3 耗能内芯恢复力模型

在地震作用下，新型自复位系统受力复杂。为便于研究，简化成理论模型如图4所示，耗能内芯与约束管套之间通过左右两侧弹簧对称连接，在地震作用下，复合构件受到轴向力作用，耗能内芯被压缩（拉伸），带动两侧弹簧压缩（拉伸），由于一端约束部件保持平衡，恢复部件会给耗能内芯一个反向力，在地震过后通过恢复部件内力使耗能内芯恢复至原来位置，恢复力F=4Fs。在整个受力过程中，约束部件与恢复部件保持串联受力，与耗能内芯为并联关系，约束不仅仅起到约束作用还起到了传力作用，还使得整个构件耗能与恢复同时进行、同时作用。

图4 新型自恢复型屈曲支撑模型

2 有限元模型的建立

该新型自复位防屈曲支撑由H型钢与多个加强板、高强弹簧、约束管套组成，分析时需要处理各个构件复杂的接触关系。同时，该构件在地震作用下实际会产生一定程度的变形，属于非线性问题。由于大型结构计算软件ABAQUS对于非线性问题求解和对于接触定义上的具有较强的优势，所以本文采用ABAQUS软件对防屈曲支撑（B-1）、新型自复位H型钢（B-2）进行模拟分析，并对结果进行比较。

2.1 材料的本构关系

全套构件为钢材，其中耗能内芯选用Q235级钢，约束管套、加强板均采用Q345钢材。弹簧采用压缩性高强度弹簧，具有强度高，占用空间小等优点。有限元模拟时，钢材选用理想弹塑性模型，本构关系选用符合双折线模型的实验数据，泊松比取0.3，塑性模拟采用von M ises屈服准则和随动强化准则。

2.2 有限元模型的截面尺寸和单元类型

建立新型自恢复型屈曲支撑有限元模型尺寸如图5所示。

图5 主要构件尺寸

根据实际连接方式定义各个构件之间的接触关系，加强板、连接板与耗能内芯通过焊接拼装而成，设置为绑定约束，分析过程中视为一个整体；加强板与约束管套实际用高强弹簧相连，模型中定义为弹簧连接，固定弹簧钢度；耗能内芯与约束部件的在不受力的情况下不接触，在压缩状态下，耗能内芯发生屈曲变形，局部会与约束管套接触，接触比较复杂，通过定义接触来表达相互作用关系，选择除耗能内芯的构件为主接触面，耗能内芯为从接触面，接触之间选择有限滑移理论来计算，垂直面上的摩擦方式采用硬接触，切线方向采用库伦摩擦。

网格属性的定义从计算时间和计算精度考虑采用线型减缩积分单元（C3D8R）。又因为主接触面网格密度小于从接触面，才能保证计算准确，耗能内芯的网格密而小，约束管套、加强板、连接板网格稀而粗。实体单元模型如图6所示。

图6 有限元模型

2.3 荷载与边界条件的设定

有限元模拟当中，为了防止构件局部屈曲，所以采用变幅位移加载方式，加载历程参照SEAOC-AISC制定的标准，支撑构件在地震作用下内芯形变量一般在1%～2%,本文加载长度取3%，详细加载制度如图7所示。

在实际地震作用中，上端的位移量相对于下端要大，模型分析时构件一端采用固接，另一段约束2个方向的位移和转动，允许x方向的位移和转动，在端部参考点上加载动位移，模型如图8所示。

图7 等幅加载关系

图8 边界条件

3 分析结果

3.1 防屈曲支撑拟静力分析

防屈曲支撑变形图如图9所示，约束管套出现明显的应力反应，对耗能部件起到明显的约束作用，分析过程中加强过渡段出现应力集中现象，且严重屈曲部位接近加强段过渡区。

通过分析可知，刚度是防屈曲支撑的承载力的重要因素，应力集中的原因在于刚度的突变加强板刚度远远大于屈服段界面刚度，造成因刚度变化而引起的应力集中现象，应力集中使得该段屈服段出现屈曲变形。防屈曲支撑的滞回曲线如图10所示，分析图可得到，整体骨架饱满，说明该屈曲支撑的耗能性能良好，恢复力良好，构件整体性能优越，但是分析每次循环到应力为0时，当加载位移越大，残余应变也随之增大。计算残余变形与最大加载位移的比值，发现随着加载幅值的增加比值也逐渐增大，如表1所示。

3.2 新型H型自复位防屈曲支撑分析

新型自恢复型防屈曲支撑的应力图与滞回曲线如图11与图12所示。由滞回曲线可以得到，耗能效果提升了30%，抗震能力得到提升。存在的残余变形与幅值比值的表2所示。可得最大的比值为0.51，相比于防屈曲支撑的残余变形比值最大值为0.89有了明显的改善，达到了自复位的效果。同时使构件得到自恢复能力并且使构件的耗能能力得到提升，一定程度缓解了摩擦型屈曲支撑的应力集中现象。

4 结论

本文将新型H型自复位防屈曲支撑相较于传统防屈曲支撑，通过有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟的结果进行对比分析，得出以下结论：

图9 拟静力模型的滞回曲线

最大变形与残余变形 表1

①新型支撑构件残余变形明显减小，大大改善了构件性能；

图11 新型H型自复位防屈曲拟静力模型的滞回曲线

最大变形与残余变形 表2

②新型自恢复性屈曲支撑采用耗能内芯与恢复部件并联受力，使约束管套参与受力，构件受力更合理明确。

③新型自恢复性H型屈曲支撑采用新式简单组装形式，保留了传统防屈曲支撑优点，提升了构件的耗能能力，有较好的自复位能力，提升了抗震性能，在今后多层钢结构与装配式钢结构设计中具有良好的应用前景。