双钢管约束屈曲支撑的有限元分析

双钢管约束屈曲支撑的有限元分析

自1976年以来，kimu等人首次提出了一种制造可消耗能量但不扭曲的支撑的尝试，因此许多科学家对此作出了密切关注。近年来，日本、美国等相关科学家积极开展制约屈曲支撑的研究和应用。典型的制约屈曲支撑结构由三部分组成：承担大部分轴力的内核能耗部分、以转向约束的钢筋混凝土和介于前两者的无粘合材料。外包结构仅支撑内核组件，避免内包结构在压力下弯曲，提高了结构对地震能量的耗散能力。目前，国内外对约束屈曲支撑的研究主要集中在框架结构上。在国内外的大量计算和实验研究中，对框架结构的研究很多，但大结构的应用研究还不够，采用钢混凝土作为纵向约束组件的质量较高。1小挠度梁的理论分析根据约束屈曲在受拉和受压时芯材都能屈服而不整体屈曲的原理,对双钢管约束屈曲支撑的内核构造进行改进,即在内核中点处增设一个接触环,该接触环与外套管始终接触,给内核提供一个侧向约束点,降低内核的计算长度,提高内核的屈曲荷载,构件尺寸及构造如图1.对于改进后的双钢管约束屈曲支撑,当内核受到轴向压力作用时,当P达到临界荷载时,内核发生一阶模态屈曲,由图1可以看出内核通过接触环与套管紧密接触,内核与套管在中点处挠度相同,此时套管与外管一起发生弯曲变形,接触压力为Q.在实际结构中,支撑两端与主结构铰接,中间受到外套管反力,所以该支撑的简化计算模型如图2.在小挠度理论下根据材料力学知识建立其微分方程:EnΙnvn″(x)+Ρvn(x)=-Qx2(1)EtΙtvt″(x)=Qx2(2)EnInvn′′(x)+Pvn(x)=−Qx2(1)EtItvt′′(x)=Qx2(2)式中:EnIn、EtIt分别为内核与套管的弯曲刚度,vn、vt分别为内核与套管的挠度.由于接触环的存在,假定构件的一阶屈曲模态相同,所以在这个假定下有vn=vt,由式(1、2)得其欧拉临界荷载为Ρcr=π2(EnΙn+EtΙt)(μl)2(3)构件内核长l=2.3m,EnIn=15.57kN·m2,EtIt=109.47kN·m2.支撑两端一般为铰接,所以计算长度系数μ=1.0,将这些数值代入式(3)有:Pcr=182.37kN.而仅内核作为支撑时的临界荷载为Ρcr=π2EnΙn(μl)2=22.71kN,临界荷载远小于带接触环双钢管约束屈曲支撑的临界荷载,所以该构件在弱震作用下就能提早屈服耗能,保护主体结构不受破坏.这与Nakashima等人提出的以高强度钢材制作主要梁柱构件,低屈服强度钢材制作消能组件的耐震设计观念一致,满足服务阶段、损坏阶段、极限阶段3种不同状态的要求.2双管道屈曲支撑的有限分析2.1接触面模型的建立选用有限元分析软件ANSYS对支撑进行分析.对构件的套管、内核构件以及接触环都采用三维实体单元SOLID45来建立模型.模型中的内核与套管间存在大量的接触区,其接触面采用TARGE170单元和CONTA174单元来模拟接.材料采用VonMises屈服准则及相应的塑性流动法则来指明当等效应力超过材料的屈服应力时,将发生塑性变形以及塑性应变的方向.考虑到构件变形的特性及接触区的滑移,当结构经受大变形后,其几何形状的改变可能会引起结构的非线性,计算时将大变形打开.模型如图3所示.构件内核的综合屈服强度为100MPa,套管的屈服强度为235MPa,选用Q235钢,弹性模量取0.3.模型几何参数见表1.2.2单钢管约束屈曲支撑1)单向加载的轴向荷载-轴向位移曲线.加载后为了使构件发生屈曲,首先对构件进行特征屈曲分析,得到第一阶屈曲模态,以一阶屈曲模态位移的0.001作为结构的初始缺陷,然后进行非线性分析.通过对没有外套管约束的内核构件SP-1、普通双钢管约束屈曲支撑构件SP-2和带接触环双钢管约束屈曲支撑构件SP-3的3种模型进行单向加载,得到了相应的荷载-位移曲线.从图4、5可以看出,轴向极限荷载值达到约130kN,而按单向拉伸对应的屈服强度计算达不到该值,这是由于计算时材料采用的是VonMises屈服准则,周边外套管约束下单向应力已经超过100MPa所致.该值又比理论计算结果小,这主要是因为上述理论模型为理想模型,且在计算中没有考虑缺陷所致.当荷载达到130kN后两类支撑构件的承载能力都不再增加,只是发展趋势发生了重大变化,单钢管支撑内力和外力不再能维持平衡,构件将发生失稳,而普通双钢管约束屈曲支撑构件和带接触环的约束屈曲支撑总的趋势比较平稳,但SP-2模型承载力呈现出下降趋势,局部有所波动,峰值之间历时较长,而SP-3模型整个过程中波动明显,反复出现承载力先下降再上升的现象,这主要原因在于双管之间存在间隙,内核发生微小屈曲时承载力下降,但由于中间没有接触环的SP-2模型不能给内核提供支撑,所以出现逐渐下降趋势比较明显.SP-3下降历时较短,但SP-2、3受到外套管的约束后承载力又开始回升,再加上增加了接触环,从而增强外套管约束作用.从图4b中可以看到出现了3次下降,但下降段的长度越到后期越长,且越来越接近水平.这就达到了只发生轴向变形而不屈曲的效果.从图5a可以看到,单钢管支撑当荷载达到131kN后出现了明显的侧移,说明构件已经失稳,这一点与图4结果一致.但带接触环的约束屈曲支撑虽然发生了侧移,其绝对值不到0.02mm,这与图4b中曲线发生波动相一致.2)单向加载的轴向荷载-侧向位移曲线.两种构件的轴向承载力都在130kN附近,对普通双钢管支撑来说已经超过了临界荷载,但对带接触环双钢管约束屈曲支撑还没有达到理论计算的欧拉临界荷载182.37kN.从应力云图(图6)可以看出,深色处表明综合应力已经达到屈服强度,说明内核全长范围内已经屈服,耗散能量.此时,从表2可知,单钢管支撑的外荷载达到128.706kN时构件内核屈服,双钢管约束屈曲支撑的外荷载达到130.887kN时构件内核屈服,同时构件开始产生侧移(图7),SP-1侧移值大约3mm,SP-2侧移值大约1mm,SP-3侧移值大约0.6mm.若再继续加载,侧移不断增大,SP-1侧移值不断增加(图7a).模型SP-2最大侧移值达12mm,双管的间隙只有6mm,说明此时外套管也已经弯曲(图7b);而对于带接触环双钢管屈曲支撑,外套管与接触环开始发挥作用,抑制侧向位移的作用开始发挥,使内核构件不屈曲,只发生轴向变形,内管刚屈服时侧移值大约0.6mm,侧移也随时间缓慢增加,最大侧移值时的变形见图7c,出现两阶屈曲.2.3滞回曲线下双钢管约束屈曲支撑的特点在地震(反复荷载)作用下,支撑每经过一个循环,加载时先是吸收或储存能量,卸载时释放能量,但两者能量不相等.两者能量之差为支撑在一个循环中的耗散能量,也就是一个滞回曲线所含的面积,所以曲线越饱满,则支撑的耗能能力越高.从滞回曲线(图8a)结果表明,单钢管支撑在最初的3个加载循环中,滞回曲线比较稳定,到了第4个循环开始出现在受压时屈曲,拉压性能不能充分发挥.从图8b看出普通双钢管约束屈曲支撑的滞回曲线比单钢管支撑稳定,但滞回曲线的骨架两端小中间大,说明构件的刚度和承载能力在下降,滞回性能随之变化.而带接触环的双钢管约束屈曲支撑受到外套管和接触环的约束内核在拉力和压力作用下均可达到充分屈服(图8c),通过往复周期循环20多圈后发现,滞回曲线饱满,滞回特性稳定,其刚度和强度在拉压状态下均相同,具有很好的延性,可以作为减震阻尼构件.同时由图6b可以看出,构件内核段进入了屈服状态,而连接段仍处于弹性状态(图5),这样即保证了屈曲支撑与结构的可靠连接,又使构件具有良好的耗能能力.如果约束屈曲支撑的连接段过柔,会发生弯曲屈曲,从而影响整个支撑的耗能性能.另外,双钢管约束屈曲支撑在内核的中部和端部放置了接触环,即增强了端部连接部位的刚度,又提高了内核的屈曲临界荷载,与其他支撑相比具有优势的一方面;另外方便了与主体结构的连接,如与网壳结构连接,可以直接采用相贯节点或螺栓连接,如与框架结构连接增设结点板即可实现.3约束屈曲支撑的优点通过对钢管支撑、普通双钢管支撑和带有接触环的双钢管约束屈曲支撑的有限元分析,可以得出以下结论.1)带接触环的双钢管约束屈曲支撑保证了内核和外套管的整体屈曲变形,提高了屈曲临界荷载,又能允许内核发生横向膨胀变形,具有良好的延性和稳定饱满的滞回特性,且没有降低强度和刚度.2)约束屈曲支撑在内核中部