基于热轧抗震阻尼钢的防屈曲支撑有限元分析

赫宇童，丁孙玮，2，赵 露，涂田刚，2

(1.上海材料研究所， 上海 200080；2.上海消能减震工程技术研究中心， 上海 200080)

我们国家地震活动频繁，强度大而分布广，是一个震灾问题十分严重的国家。1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省(自治区、直辖市)，其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。地震及其他自然灾害的严重性构成我国的基本国情之一。

虽然目前防屈曲支撑在工程中广泛应用，但许多支撑使用高屈服点钢作为芯材，设计出的产品延性固然优越，但小震下支撑弹性状态而无法耗能，许多学者基于此类问题，进行了大量的创新性开发，孙瑛志等[1]提出了一种将金属套管阻尼器与防屈曲支撑组合而实现双阶耗能防屈曲支撑；张哲等[2]也是提出将防屈曲支撑和钢阻尼器组成双阶段防屈曲支撑，具有良好的分段耗能性，来弥补单阶支撑对于小型地震处理的不足；陈洪剑等[3]提出了一种双屈服点一字形全钢防屈曲支撑，引入了两种屈服点的钢材作为芯材，并进行了有限元模拟分析。

本文提出了一种新材料——高屈服点钢材热轧抗震阻尼钢，与软钢LY160进行配比组合，并利用有限元软件ANSYS Workbench对两种材料的不同配比组合进行仿真模拟，分析比较它们的力学性能的差异，选出性能最好的试件，为后续相关研究提供理论基础。

1 试件设计

1.1 参数设计

设计五根芯材试件，对两种钢材进行不同参数的配比组合，由于某种单一材料配比过少(低于20%)，导致对整体性能的影响不大，因此五种配比情况见表1。

表1 试件配比参数

1.2 结构设计

本文设计的防屈曲支撑主要引入了一种新材料——热轧抗震阻尼钢，芯材主要结构如图1所示，由一块长的阻尼钢上下焊接两块短的软钢LY160组成十字型横截面芯材，其横截面的宽度由上述实验材料配比决定，宽厚比维持在10左右以达到较好的力学性能[4]。整个芯板总长2 000 mm，工作段长度1 430 mm，设置85 mm左右的过渡段，减少集中应力现象，防止端部发生屈曲破坏。

2 有限元模型的建立

2.1 建立模型

在绘制结构3D模型时，考虑到有限元软件建模的众多不便之处，考虑使用Unigraphics NX(以下简称UG)来实现三维实体建模，模型建立如图2(a)所示，模型另存为“.Step”文件，再使用ANSYS Workbench导入几何结构模块(Geometry)，进入模型模块(Model)，得到如图2(b)所示的模型。

图1 组合芯材结构图(单位:mm)

图2 组合芯材模型

2.2 定义材料属性

本文介绍的结构模型是由一块长的阻尼钢上下焊接两块短的软钢LY160组成，故需要定义两种材料属性，编辑材料库添加新材料，分别定义两种材料的密度、弹性、塑性，经过查阅相关文献得到LY160的材料属性[5]，以及前期对这种新型阻尼钢做的准静态试验和低周疲劳试验得到的材料属性，得到如表2数据所示。

表2 LY160和热轧抗震阻尼钢材料属性

2.3 定义接触与划分网格

建立模型需要考虑两种材料的接触问题，考虑到三块钢板是靠焊接连接在一起，故在连接模块里设置绑定接触来模拟三者之间的关系，至于芯材与外套筒之间的接触，由于防屈曲支撑的设计一般都会在芯材和约束结构之间设置无粘结层来减小摩擦，避免芯材因受压膨胀后与约束单元间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加，故该模型通过设置无摩擦接触来模拟该类情况。

划分网格模块选择自动生成即可，网格划分情况如图3所示。

图3 组合芯材模型网格划分

2.4 设置边界条件与加载制度

考虑到防屈曲支撑的工作原理，考虑将支撑的一面固定，另一面添加荷载，故在主模块中将一端设置固定约束。模型载荷的加载方式分为单向加载压力载荷和低周反复位移加载[6]，如果考虑使用单向加载力的载荷，支撑发生屈曲会导致切线刚度矩阵斜率为非正值，从而导致非线性计算非常复杂繁琐，故采取加载位移的方式来克服非线性不收敛的问题[7]。因此将基本设置中设置步长数为20，添加位移载荷，以5 mm为起点，每一级的轴向位移设置步进设置为5 mm(含正负，即模拟拉压试验)，最大位移载荷绝对值为50 mm，如图4所示。

图4 轴向位移加载制度

2.5 屈曲模态分析与引入初始缺陷

由于防屈曲支撑出厂后会有一定的初始缺陷，因此引入初始缺陷可以使仿真模拟更加的精确。因此对支撑进行六阶屈曲模态分析，得到相应的特征值，由于一阶模态起主要作用，因此取一阶模态临界载荷的1%作为初始缺陷[8]。

3 有限元结果的分析

3.1 两种材料对于整体结构性能的影响分析

做完五组仿真模拟后，发现阻尼钢比重为80%以及软钢为80%的两组模拟仿真的结果与其他几组有较大的差异，所以考虑到这两组实验单一材料的比重较大，某种材料对于整体试验结果产生了较大影响，从而影响了试验结果。例如软钢配比为80%的实验组，由于LY160的钢材具有延性差、承载力低的缺点，但其具有低屈服点的优点，可以使芯材很快进入屈服阶段，所以这组芯材在很低的位移载荷下便损坏失效，无法达到良好的抗震效果，仿真中损坏情况见图5。

图5 软钢占比为80%的芯材仿真模拟损坏情况

另一组阻尼钢占比为80%的芯材，仿真模拟后试件无损坏情况，但是根据结果输出的滞回曲线具有较明显的滑移现象，不够饱满，见图6。因此得出其吸收振动能量的能力较差，这与阻尼钢较高的屈服点不无干系，当芯材长期处于弹性阶段时，支撑无法通过塑性变形散热耗能，但该类阻尼钢具有延性好，承载力强的特点，可以在强震下保证支撑不失稳破坏。

图6 阻尼钢占比为80%芯材滞回曲线

3.2 等效应力应变与整体变形分析

探究该类防屈曲支撑在低周往复位移加载下，两种芯板所收到的应力应变情况以及整体的变形情况，由于防屈曲支撑连接段会最先产生集中应力从而导致芯材的失稳损坏，故连接段是仿真模拟主要考察的对象，本节以阻尼钢配比为50%的实验组为例，仿真模拟输出等效应力、等效应变以及整体变形的连接段云图，见图7。

图7 阻尼钢占比为50%的芯材连接段云图

该模型模拟至结束计算收敛，未发生明显的破坏，见图7(c)，施加荷载的位置整体变形较大，在工作段的端部变形处于过渡阶段，易发生颈缩现象，见图7(a)、图7(b)，此外热轧抗震阻尼钢的芯板上的应力应变要远高于软钢LY160，应力应变最大段主要集中在端部颈缩位置，最大应力达到465 MPa以上。另外芯材尤其是主要工作段应力分布均匀，核心构件实现全截面屈服状态。

3.3 滞回曲线对比分析

在上一章提到阻尼钢占比为80%以及软钢为80%的两组模拟仿真由于材料之间协同作用不够明显，单一材料性质影响了整个芯材的性能，故本节只讨论剩下三种试件性能。图8中三组滞回曲线，分析至最后一个载荷步时计算收敛，承载力大小分别达到1 307 kN、1 899 kN以及1 580 kN，三组滞回曲线形状饱满，无明显滑移现象，支撑具有较好的耗能性。分析三组滞回曲线可得该类支撑具有较好的延性，可以达到10～14以上，整体表现出良好的耗能性，见图8(a)，当阻尼钢占比较小时，芯材进入屈服阶段越快，耗能效率越高，由于芯材应变硬化以及支撑构件的环箍效应，随着轴向位移载荷的加载，承载力逐渐提高，延性较好，采用的低屈服点钢LY160发挥了一定的作用，但承载力仍不及后面两组模拟。对比图8(a)和图8(b)，其连续均匀的抗弯刚度使芯材发生高阶屈曲变形，提高了支撑整体失稳临界载荷。由图8(b)、图8(c)可见，当阻尼钢占比提高时则表现出较好的承载力，但由于阻尼钢占比65%横截面略小于阻尼钢占比50%芯材，故导致整体的承载力有所下降。

图8 各组芯材的滞回曲线对比

4 结 论

(1) 如果两种材料配比相差过大容易导致整体芯材趋向于性能的单一性，单一材料占比尽量控制在25%～35%以上。

(2) 该类新型防屈曲支撑整体受力均匀，热轧抗震阻尼钢的芯板承担了更大的应力应变，耗能过程中，工作段端部有集中应力产生，从而导致了支撑工作时的颈缩现象，受到拉压力过大可能会导致端部屈曲损坏。

(3) 芯材使用的的两种材料具有不同的性质，钢材LY160具有较低的屈服点，可以使芯材快速进入屈服阶段，提高耗能效率；热轧抗震阻尼钢具有较高的强度和韧性，提高芯材的累计塑性变形的能力。

(4) 经过有限元分析，本文提出的五种方案中，阻尼钢占比为50%和65%的方案具有更高的承载力和更好的累计塑性变形的能力，阻尼钢占比为35%的方案可以实现快速屈服耗能的优势，亦可满足一定的工程指标，另外热轧抗震阻尼钢成本较高，在保证标准的条件下，适当降低阻尼钢的占比也应当考虑。