屠义新，袁 波，易金刚

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

新型剪切型全装配式防屈曲耗能支撑的耗能性能分析

屠义新，袁 波*，易金刚

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

本文主要介绍了新型剪切型全装配防屈曲耗能支撑的构造，通过理论推导出剪应力起控制作用时所满足的高宽比以及外套钢管的内外半径的确定。通过有限元软件ABAQUS分析缝隙间小板块的高宽比，高厚比对滞回曲线的影响，最后得出本文所研究的新型剪切型防屈曲耗能支撑的耗能能力是较强的。

全装配；剪切型；防屈曲支撑；耗能能力分析；滞回性能

防屈曲耗能支撑(Buckling- Restrained Braces 简写BRB)是一种特殊的中心支撑，它由三部分组成，即核心受力单元，外约束单元，滑动机制单元。最初是由印度工程师Shuhaibar发明并研究的，之后各国的学者根据类似的原理发展出各类不同的形式。它克服了传统的支撑在承载力还没有达到屈服承载力之前就因整体屈曲而退出工作的缺点，从而使支撑的承载力显著提高甚至超过了材料的屈服强度，因而充分利用了钢材的弹塑性性能耗散地震能量，因此提高了结构的抗震性能。然而这类防屈曲耗能支撑还有一些不足人意的方面，如：外支撑钢管与核心受力构件之间的间隙应该预留多少才是最合适的，到目前为止还没有成熟的统一数学表达式；没有比较准确的公式能用于防屈曲耗能支撑计算它的耗散能量大小，只能根据实验的滞回曲线估计防屈曲耗能支撑的性能；防屈曲耗能支撑在工作阶段，外套钢管会相对核心构件滑动，对构件也会造成不利的影响；当构件损坏后需要更换整个装置。

本文研究的新型剪切型全装配式防屈曲耗能支撑可以有效的避免上述除第二个问题之外的问题。它与传统的防屈曲耗能支撑的工作机制不同，传统的防屈耗能支撑主要是依靠核心构件在轴向拉压力作用下的轴向弹塑性变形耗散能量。而本文研究的新型剪切型全装配式防屈曲耗能支撑主要是依靠核心构件的剪切变形耗散能量。

1 新型剪切型防屈曲耗能支撑的构造

图1为新型剪切型全装配式防屈曲耗能支撑构件图，主要由三部分组成，即核心开缝耗能钢板，支撑角钢，外套钢管。整个构件一共8片开缝耗能钢板，左右各4片，为了保证支撑核心构件(由外套钢管内部两端的各4片开缝耗能钢板和4支角钢组成)在外力作用下沿着耗能构件轴向能够自由伸缩，在两组核心构件之间留有足够的缝隙(图1(c)中预留缝隙)。开缝耗能钢板(图1(c))由钢板通过激光切割形成多条均匀缝隙形成。开缝耗能钢板通过高强螺栓一边与外套钢管固定连接，一边与角钢固定连接，如图1(b)所示。

2 开缝耗能钢板的理论分析

2.1 受剪板块的高宽比确定

防屈曲耗能支撑上下两端与梁柱相连，在地震作用下，楼层上下两端发生相对位移，防屈曲耗能支撑随着发生轴向位移。在角钢的拉压力作用下，开缝耗能钢板将发生弯剪变形。由结构力学可知当高宽比h/w较大时，弯矩起控制作用。小板块两端首先拉压屈服;当高宽比h/w较小时，剪力起控制作用，板中部首先剪切屈服。设角钢受到轴向的合力为Fn，每端4片开缝耗能钢板，平均每片开缝耗能钢板承受的轴向力为Fi=Fn/4，设一片开缝耗能钢板被缝隙分隔成n块小板块，则每块小板块受到的剪力为F=Fi/n，现取开缝耗能钢板中间的小板块来推导先发生剪切屈服时的高宽比，计算简图如图2所示。

图1 构造图

图2 计算简图

小板块顶端的弯矩为：

(1)

因此最大拉(压)应力为：

(2)

其中：t——开缝耗能钢板的厚度。

当拉(压)应力到达屈服强度时：σ=fy

(3)

故拉(压)屈服时的剪力为：

(4)

最大剪应力为：

(5)

(6)

故受剪屈服时的剪力为：

(7)

当剪应力和拉(压)应力同时达到屈服时有：Fτ=Fp

(8)

因此界限高宽比为：

(9)

开缝耗能钢板缝隙间的小板块的变形由两部分组成：弯矩变形和剪切变形。随着高宽比的减小，剪切变形在总变形中所占的比重逐渐增大，现推导高宽比参数变化对开缝耗能钢板缝隙间的小板块剪切变形的影响。

小板块的弯曲变形为：

(10)

小板块的剪切变形为：

(11)

式中：fs——剪应力分布不均匀系数，对于矩形截面取1.2。本文钢材的泊松比取v=0.3，则：

因此剪切变形为：

(12)

剪切变形占总变形的比重为：

(13)

当小板块的剪切变形所占的比重大于80%时，小板块的弯曲变形所占的比重小于20%。这时可以认为小板块属于剪切变形而忽略弯曲变形。有：

(14)

(15)

2.2 外套钢管的内外半径的确定

设开缝耗能钢板的宽度为wb、厚度为tb、两边嵌入角钢和外套钢管的宽度均为d，外套钢管的厚度为t。则外套钢管内半径为：r=wb-d+tb/2，外半径为：R=r+t。

2) 强度高修复效果好。复合材料补片力学性能优异，抗拉强度和抗剪切强度高。损伤结构-胶粘剂-复合材料补片三者为一体的再制造修复结构能够承受更高载荷，延展性能也同时被优化。

3 剪切型防屈曲耗能支撑的有限元分析

3.1 材料参数选取

为了使开缝耗能钢板提前进入屈服阶段耗能，本文开缝耗能钢板采用低屈服点钢材LYP100，外套钢管和角钢均采用Q550钢，弹性模量取E=2.06×105MPa，泊松比λ=0.3。本构关系均采用理想弹塑性模型。

3.2 模型的建立

采用ABAQUS/Standard通用分析模块进行计算分析。由于本文主要研究开缝耗能钢板缝隙间的小板块的高宽比，高厚比对耗能能力的影响。故忽略螺栓对开缝耗能钢板的影响，认为开缝耗能钢板的两边分别牢固地和角钢，外套钢管固定在一起。网格划分采用8结点6面体线性减缩积分单元(C3D8R)。加载制度参照美国OSHPD规定的标准。分别以位移10、20、35、50、70、90、110 mm加载两个循环，加载历程如图3所示。

图3 位移加载曲线

3.3 高宽比对滞回曲线的影响

为了研究小板块的高宽比对滞回曲线的影响，本文保持其它参数不变，只改变小板块的宽度。小板块之间的缝隙宽度取50 mm，高度取300 mm。开缝耗能钢板的宽度取400 mm，两边分别留50 mm与角钢和外套钢管连接，厚度取6 mm。外套钢管厚度取10 mm，角钢的厚度取15 mm。每一块开缝耗能钢板分隔成5条小板块。本文取7组高宽比进行分析研究，其尺寸参数如表1所示。各模型的最大和最小轴向力值的绝对值的和的平均值U(|max|+|min|)/2(以下简称最大轴力)的比较见表2，模型1W400分析结果的应力云图、各模型的滞回曲线图如图4、图5所示。

表1 各模型的小板块参数表 mm

表2 各模型的最大轴力值

(a)外套钢管

(b)左端开缝耗能钢板图4 模型1W400的应力云图

图5 各模型的滞回曲线图

从图4(a)可以看到模型1W400的外套钢管的应力是比较小的且不超过80 N/mm2，中间的应力较两边的应力稍大，这是因为外套钢管中间有300 mm的长度没有开缝耗能钢板与外套钢管共同受力。可以加一块与开缝耗能钢板等厚，宽等于它嵌入外套钢管内的宽度的钢板，能有效的解决在压应力作用下的应力不均匀状态。

从图4(b)可以看出：(1)开缝耗能钢板缝隙间的小板块的大部分面积已达到屈服应力状态，开缝耗能钢板与外套钢管连接的区域受力较小。小板块两边的中部有一小块区域的应力小于其它部分，随着高宽比的减小这种情况会慢慢转好，当高宽比为0.5时(模型4W600)小板块在某一加载位移时应力进入屈服应力的面积达到最大。

从图5可以看到各个模型的滞回曲线均饱满，说明本文研究的剪切型防屈曲耗能支撑的耗能能力是比较强的。随着高宽比的减小它的耗能面积逐渐增大。从图5(b)至(g)可以看见滞回曲线图的两侧向外鼓，说明比图5(a)饱满。从图5各图对比发现：图5(b)的最大轴力明显大于图5(a)，说明在同一个耗能周期中图5(b)的耗能能力强于图5(a)，随着高宽比的减小最大轴力的增量逐渐减小。从表2可以看到当板的宽度达到550时，随着宽度的继续增大，最大轴力的相对增量几乎为零。通过图5和表2可以确定当小板块的高度为300 mm时，小板条的宽度取550～600为最佳。

3.4 高厚比对滞回曲线的影响

对本参数的研究保持其它的参数不变，只改变开缝耗能钢板的厚度t。考虑到开缝耗能钢板厚度的增加，它的刚度会增大，因此角钢和外套钢管的相对刚度将减小。为了减小角钢和外套钢管的相对刚度的减小对本参数研究的影响，在此角钢和外套钢管的厚度均取20 mm。开缝耗能钢板的宽度取400 mm，小板条的高度取300 mm，宽度取600 mm，一块开缝耗能钢板被4条缝隙分隔成5块小板块。缝隙的高度取300 mm，宽度取50 mm。本文取7组高厚比进行分析对比。模型的参数如表3所示。各模型的最大轴力的比较见表4，模型1T2分析结果的应力云图、各模型的滞回曲线图如图6、图7所示。

表3 各模型的小板块参数表 mm

(b)左端开缝耗能钢板图6 模型1T2应力云图

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

图7 各模型的滞回曲线图

从图6(a)可以看出外套钢管的受力比较均匀，且受到的应力比较小，没有超过80 N/mm2。这是因为外套钢管的刚度相对于开缝耗能钢板的刚度较大。从图6(b)可以看出在某一加载位移时，开缝耗能钢板缝隙间的小板块的绝大多数面积的应力达到屈服应力。在小板块的两边中间有一小块区域的应力略小于其它部分的应力，没有达到全区域屈服。开缝耗能钢板与钢管的连接区域受力较小，因为它不是要算入耗能区域的面积，且它受到的应力越小对构件的受力越有利。

从图7可以看出各个模型的滞回曲线比较饱满，说明本文研究的防屈曲耗能支撑的耗能能力是比较强的。由图7(a)和(b)的对比可以发现，当开缝耗能钢板的厚度由2 mm增加到4 mm时的最大轴力增加至原来的2倍，耗能能力明显增强。图7(a)两侧的曲线几乎看不出向外鼓，而图7(b)至(g)两侧的曲线明显向外鼓。说明模型1T2的耗能曲线没有其它模型的耗能曲线饱满。从表4可以看到随着高厚比的减小，最大轴力的增量百分比先增大后减小，最后趋于2.9%。从图7和表4的观察和分析可以确定对于高度为300 mm，厚度为600 mm的小板块的厚度取8～10为最佳，即小板块高厚比取30～38比较合适。

4 结论

(1)本文研究的新型剪切型全装配式防屈曲耗能支撑的耗能能力是比较强的，在满足剪切变形屈服先于弯曲变形屈服时的高宽比时，模型的滞回曲线均是比较饱满的。

(2)开缝耗能钢板缝隙间的小板块高宽比应在0.5～0.55范围内比较合适，高厚比应在30～38的范围内比较合适。

(3)在特定的高宽比下，考虑到角钢的受力性能，开缝耗能钢板划分的小板块数目不易过多。

(4)开缝耗能钢板缝隙间的小板块的高宽比达到0.55时，随着高宽比继续减小，最大轴力值的增量百分比几乎为零。而随着高厚比的减小，最大轴力值的增量百分比先增大后减小，最后趋于2.9%。因此在实际工程应用中，通过改变开缝耗能钢板缝隙间的小板块的高厚比来改变剪切型防屈曲耗能支撑的承载力更为有效。

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(责任编辑：周晓南)

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

国家自然科学基金项目资助(51168010)

屠义新(1987-)，男，在读硕士，研究方向：工程结构抗震，Email：331423887@qq.com.

*通讯作者： 袁 波，Email：superyuanbo@163.com.

TU352.11

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