基于ABAQUS对自复位防屈曲支撑简化模型验证与参数分析

摘要：防屈曲支撑在大震下不易屈曲且耗能能力优秀，现广泛用于高烈度地区结构。但其耗能机制导致支撑震后残余变形过大，不利于震后修复工作的开展。故对防屈曲支撑增设自复位系统，以大幅度降低其残余变形。由于自复位防屈曲支撑独特的“旗形”滞回模型导致其模型复杂且计算量过大，不便应用于实际工程中。针对以上问题，首先通过杆单元和非线性弹簧叠加建立了自复位防屈曲支撑简化模型并验证了该简化模型的可行性。在此基础上，通过参数分析得到了各类实际参数取值对自复位防屈曲支撑承载力、自复位能力的影响效果。

关键词：自复位防屈曲支撑 简化模型 参数分析 残余变形

Verification and Parameter Analysis of a Simplified Model for Self Resetting Buckling Restrained Brace Based on ABAQUS

LIU Weibo

Anhui Provincial Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230031 China

Abstract： Buckling restrained brace is not prone to buckling under strong earthquakes and have excellent energy dissipation capabilities. They are now widely used in structures in high-intensity areas. However， its energy dissipation mechanism leads to excessive residual deformation of the support after the earthquake， which is not conducive to the development of post earthquake repair work. Therefore， a self resetting system is added to buckling restrained brace to significantly reduce its residual deformation. Due to the unique "flag shaped" hysteresis model of self resetting buckling restrained brace， its model is complex and computationally intensive， making it inconvenient to apply to practical engineering problems. This article addresses the above issues by first establishing a simplified model of self resetting buckling restrained brace through the superposition of rod elements and nonlinear springs， and verifying the feasibility of the simplified model. On this basis， this article obtained the influence of various actual parameter values on the bearing capacity and self resetting ability of self resetting buckling restrained brace through parameter analysis.

Key Words： Self resetting buckling restrained brace; Simplified model; Parameter analysis; Residual deformation

近年来，全球地震频发，在大震情况下各国学者发现普通支撑易提前发生屈曲，进而丧失承载力。为此，有学者于普通支撑外侧增加相应约束构件形成防屈曲支撑，其内部为普通钢板支撑，约束构件能够防止钢板支撑过早发生屈曲。防屈曲支撑大震下不屈曲，并为结构体系提供耗能能力。但其耗能机制为其内部钢板支撑发生屈服而不屈曲，此机制决定了该支撑震后残余变形过大，不利于震后修复工作开展。目前，国内外学者采用对防屈曲支撑增设自复位装置形成自复位防屈曲支撑[1-2]以解决此问题。

对于自复位防屈曲支撑，当前对于其有限元模拟较多采用壳单元[3]。该建模方式优点在于可精细化模拟出支撑形状特点并且能够得到较为准确的支撑滞回模型，但其缺点在于模拟过于复杂，不易收敛且计算量庞大。因此，对于实际工程应用而言，采用壳单元进行自复位防屈曲支撑建模缺少可操作性。为解决现有建模方式过于复杂的问题，本文通过ABAQUS中的弹簧单元与杆单元进行组合建立了自复位防屈曲支撑简化模型，并得到其特有的“旗形”滞回曲线。同时，本文通过改变自复位防屈曲支撑中的影响参数，设计8组算例进行参数分析，以此得出了这些参数对于支撑承载力和复位能力的影响。

1算例设计

在以往国内外学者研究中可知，影响自复位防屈曲支撑复位性能的关键参数为复位比率[2]，该参数定义为支撑自复位系统初始预应力与其钢板支撑承载力的比值，具体如式（1）。其中：为考虑摩擦效应的受压承载力调整系数；为考虑应变硬化效应的承载力调整系数；为防屈曲支撑所用钢板内芯的屈服应力；为钢板截面面积。复位比率仅可直观地反映出自复位防屈曲支撑的复位性能，其对支撑耗能能力的反应并不直观，因此并不能通过复位比率的大小来判断出支撑耗能能力的强弱。

据复位比率定义式可知：实际应用中影响自复位防屈曲支撑复位性能的可调整参数具体为3个，其分别是钢板支撑截面面积、钢板支撑强度和自复位系统初始预应力大小。因此，本文通过调节此，3项参数共设计了8组算例，同时为体现出自复位防屈曲支撑独有的特性而增设了1组防屈曲支撑算例进行对比分析，各支撑算例参数如表1所示。所有算例支撑长度均取1 200 mm以避免支撑长度的影响。

2 有限元模型的建立

对于传统支撑结构来说，在ABAQUS建模过程中，选取正确的材料本构关系是关键步骤。但对于自复位防屈曲支撑而言，在ABAQUS中并无其独特的“旗形”本构模型。故本文采用叠加的思路，即对杆单元采用混合强化模型[4]来模拟防屈曲支撑，同时采用非线性弹簧单元来模拟相应的自复位系统部分。ABAQUS中所建立的自复位防屈曲支撑模型如下图1所示。

防屈曲支撑所采用混合强化模型须输入屈服应力、强化参数、强化参数、等向应力equiv stress、最大增加应力以及强化参数b，本文根据参考文献[3]将各强化参数取值为C1=2 000 MPa ，=37，=10 MPa，。

自复位系统部分采用非线性弹簧进行建立。该建立流程为以下步骤：（1）对已建立完成的防屈曲支撑模型赋予线性弹簧属性；（2）改写ABAQUS所产生inp文件中的弹簧参数，将线性弹簧参数修改为所设定的自复位系统受力特性参数。通过以上两个步骤，便可于ABAQUS中实现非线性弹簧功能。本文所建立的所有算例中均未设置阻尼系数来考虑实际中所存在的摩擦问题。

本文的加载制度采用水平往复加载。加载曲线第一阶段为循环加载至100 mm，每级加载增量为8 mm，初始加载幅值为4 mm，循环一圈；第二阶段为60 mm幅值，循环5圈。该加载制度所得支撑累计塑性变形较大，满足传统防屈曲支撑试验所规定的累计塑性变形需求[5]。

3 模拟结果分析

自复位防屈曲支撑模型和防屈曲支撑模型经过循环加载所得滞回曲线结果如图2所示。

从自复位防屈曲支撑有限元模型的模拟结果可知，本文所采用的简化模型均表现出支撑所特有的“旗形”滞回曲线，故说明采用非线性弹簧结合杆单元能够有效模拟出自复位防屈曲支撑构件。同时，可知该支撑模型循环加载所得滞回曲线饱满，独特的“旗形”滞回曲线表明该支撑在大位移下所产生的残余变形较小。

根据图2（a）可知：同位移下算例SCBRB2承载力最大为689.451 kN，而算例SCBRB3承载力相对最小为587.676 kN；SCBRB1残余变形最小而SCBRB4残余变形最大，其最大残余变形分别为4.9365b618f1cadf8b8f98a3b129bae33ffea97d0de255e42481d34f7cf46b9ed4c3 mm和25.64 mm。同一钢板支撑截面下预应力增大或钢板强度等级增强均会导致构件承载力增加，而同一钢板支撑截面下，增大预应力或采用Q235钢板材质均能够减小结构残余变形。

根据图2（b）可知：同位移下SCBRB6承载力最大而算例SCBRB7承载力最小；SCBRB5残余变形最小而SCBRB8残余变形最大。

对比图2（a）和2（b）可知：在自复位系统预压力和钢板强度等级均相同的情况下，增大钢板支撑截面面积会增强支撑整体耗能能力且降低其自复位性能。

由图2（b）可知：对防屈曲支撑增加自复位装置从而形成自复位防屈曲支撑能够大幅提高支撑整体承载力，同时在合理搭配初始预应力的情况下能够使支撑残余变形降低到一个较小值，从而便于后续结构修复[6]。

4 结语

本文在ABAQUS中通过对杆系单元施加非线性弹簧有效地模拟出了自复位防屈曲支撑的“旗形”滞回曲线，验证了该简化模拟方法的可行性。并通过ABAQUS对采用不同钢板支撑截面面积、自复位系统预应力和钢板强度等级的自复位防屈曲支撑进行参数分析，所得具体结论如下。

（1）在ABAQUS中通过对杆单元增设非线性弹簧可模拟出自复位防屈曲支撑的简化模型，其具有独特的“旗形”滞回曲线且便于工程实际使用。

（2）增大钢板支撑截面面积、增大自复位系统预应力、增强钢板支撑材质均可增大支撑承载力；反之；则会减小支撑承载力。

（3）减小钢板支撑截面面积、增大自复位系统预应力或降低钢板支撑材质均可减小支撑大位移下的残余变形，反之则会增大支撑残余变形。支撑残余变形与自复位系统预应力密切相关。

（4）对比防屈曲支撑，自复位防屈曲支撑因增设了自复位系统而大幅度提高了支撑承载能力，同时在不削减支撑耗能能力的情况下大幅度降低了支撑的残余变形，为震后整体结构的矫正修复提供了便利。

参考文献

范玺.采用复合碟簧和SMA筋的新型装配式混凝土框架节点抗震性能研究[D].西安：长安大学，2023.

汤孟柯.同轴组装自复位碟簧内置防屈曲支撑滞回性能与设计方法[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

徐龙河，陈鹏.自复位全钢型防屈曲支撑的工作原理与滞回特性研究[J].工程力学，2020， 37（12）：147-156.

[4]郑帅康.组合碟簧自复位防屈曲支撑滞回性能与设计方法[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.

[5]住房和城乡建设部.高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ99—2015 [S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[6]乐晨，曹昱，杨帆，等.基于Abaqus的等边三角形网格加筋壳建模分析方法及试验验证研究[J].导弹与航天运载技术，2019（2）：12-16.