雙鋼管約束屈曲支撐的有限元分析

雙鋼管約束屈曲支撐的有限元分析

自1976年以來，kimu等人首次提出了一種制造可消耗能量但不扭曲的支撐的嘗試，因此許多科學(xué)家對(duì)此作出了密切關(guān)注。近年來，日本、美國等相關(guān)科學(xué)家積極開展制約屈曲支撐的研究和應(yīng)用。典型的制約屈曲支撐結(jié)構(gòu)由三部分組成：承擔(dān)大部分軸力的內(nèi)核能耗部分、以轉(zhuǎn)向約束的鋼筋混凝土和介于前兩者的無粘合材料。外包結(jié)構(gòu)僅支撐內(nèi)核組件，避免內(nèi)包結(jié)構(gòu)在壓力下彎曲，提高了結(jié)構(gòu)對(duì)地震能量的耗散能力。目前，國內(nèi)外對(duì)約束屈曲支撐的研究主要集中在框架結(jié)構(gòu)上。在國內(nèi)外的大量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的研究很多，但大結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究還不夠，采用鋼混凝土作為縱向約束組件的質(zhì)量較高。1小撓度梁的理論分析根據(jù)約束屈曲在受拉和受壓時(shí)芯材都能屈服而不整體屈曲的原理,對(duì)雙鋼管約束屈曲支撐的內(nèi)核構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn),即在內(nèi)核中點(diǎn)處增設(shè)一個(gè)接觸環(huán),該接觸環(huán)與外套管始終接觸,給內(nèi)核提供一個(gè)側(cè)向約束點(diǎn),降低內(nèi)核的計(jì)算長(zhǎng)度,提高內(nèi)核的屈曲荷載,構(gòu)件尺寸及構(gòu)造如圖1.對(duì)于改進(jìn)后的雙鋼管約束屈曲支撐,當(dāng)內(nèi)核受到軸向壓力作用時(shí),當(dāng)P達(dá)到臨界荷載時(shí),內(nèi)核發(fā)生一階模態(tài)屈曲,由圖1可以看出內(nèi)核通過接觸環(huán)與套管緊密接觸,內(nèi)核與套管在中點(diǎn)處撓度相同,此時(shí)套管與外管一起發(fā)生彎曲變形,接觸壓力為Q.在實(shí)際結(jié)構(gòu)中,支撐兩端與主結(jié)構(gòu)鉸接,中間受到外套管反力,所以該支撐的簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖2.在小撓度理論下根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)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分別為內(nèi)核與套管的彎曲剛度,vn、vt分別為內(nèi)核與套管的撓度.由于接觸環(huán)的存在,假定構(gòu)件的一階屈曲模態(tài)相同,所以在這個(gè)假定下有vn=vt,由式(1、2)得其歐拉臨界荷載為Ρcr=π2(EnΙn+EtΙt)(μl)2(3)構(gòu)件內(nèi)核長(zhǎng)l=2.3m,EnIn=15.57kN·m2,EtIt=109.47kN·m2.支撐兩端一般為鉸接,所以計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ=1.0,將這些數(shù)值代入式(3)有:Pcr=182.37kN.而僅內(nèi)核作為支撐時(shí)的臨界荷載為Ρcr=π2EnΙn(μl)2=22.71kN,臨界荷載遠(yuǎn)小于帶接觸環(huán)雙鋼管約束屈曲支撐的臨界荷載,所以該構(gòu)件在弱震作用下就能提早屈服耗能,保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不受破壞.這與Nakashima等人提出的以高強(qiáng)度鋼材制作主要梁柱構(gòu)件,低屈服強(qiáng)度鋼材制作消能組件的耐震設(shè)計(jì)觀念一致,滿足服務(wù)階段、損壞階段、極限階段3種不同狀態(tài)的要求.2雙管道屈曲支撐的有限分析2.1接觸面模型的建立選用有限元分析軟件ANSYS對(duì)支撐進(jìn)行分析.對(duì)構(gòu)件的套管、內(nèi)核構(gòu)件以及接觸環(huán)都采用三維實(shí)體單元SOLID45來建立模型.模型中的內(nèi)核與套管間存在大量的接觸區(qū),其接觸面采用TARGE170單元和CONTA174單元來模擬接.材料采用VonMises屈服準(zhǔn)則及相應(yīng)的塑性流動(dòng)法則來指明當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí),將發(fā)生塑性變形以及塑性應(yīng)變的方向.考慮到構(gòu)件變形的特性及接觸區(qū)的滑移,當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形后,其幾何形狀的改變可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非線性,計(jì)算時(shí)將大變形打開.模型如圖3所示.構(gòu)件內(nèi)核的綜合屈服強(qiáng)度為100MPa,套管的屈服強(qiáng)度為235MPa,選用Q235鋼,彈性模量取0.3.模型幾何參數(shù)見表1.2.2單鋼管約束屈曲支撐1)單向加載的軸向荷載-軸向位移曲線.加載后為了使構(gòu)件發(fā)生屈曲,首先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行特征屈曲分析,得到第一階屈曲模態(tài),以一階屈曲模態(tài)位移的0.001作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷,然后進(jìn)行非線性分析.通過對(duì)沒有外套管約束的內(nèi)核構(gòu)件SP-1、普通雙鋼管約束屈曲支撐構(gòu)件SP-2和帶接觸環(huán)雙鋼管約束屈曲支撐構(gòu)件SP-3的3種模型進(jìn)行單向加載,得到了相應(yīng)的荷載-位移曲線.從圖4、5可以看出,軸向極限荷載值達(dá)到約130kN,而按單向拉伸對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度計(jì)算達(dá)不到該值,這是由于計(jì)算時(shí)材料采用的是VonMises屈服準(zhǔn)則,周邊外套管約束下單向應(yīng)力已經(jīng)超過100MPa所致.該值又比理論計(jì)算結(jié)果小,這主要是因?yàn)樯鲜隼碚撃Ｐ蜑槔硐肽Ｐ?且在計(jì)算中沒有考慮缺陷所致.當(dāng)荷載達(dá)到130kN后兩類支撐構(gòu)件的承載能力都不再增加,只是發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生了重大變化,單鋼管支撐內(nèi)力和外力不再能維持平衡,構(gòu)件將發(fā)生失穩(wěn),而普通雙鋼管約束屈曲支撐構(gòu)件和帶接觸環(huán)的約束屈曲支撐總的趨勢(shì)比較平穩(wěn),但SP-2模型承載力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),局部有所波動(dòng),峰值之間歷時(shí)較長(zhǎng),而SP-3模型整個(gè)過程中波動(dòng)明顯,反復(fù)出現(xiàn)承載力先下降再上升的現(xiàn)象,這主要原因在于雙管之間存在間隙,內(nèi)核發(fā)生微小屈曲時(shí)承載力下降,但由于中間沒有接觸環(huán)的SP-2模型不能給內(nèi)核提供支撐,所以出現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)比較明顯.SP-3下降歷時(shí)較短,但SP-2、3受到外套管的約束后承載力又開始回升,再加上增加了接觸環(huán),從而增強(qiáng)外套管約束作用.從圖4b中可以看到出現(xiàn)了3次下降,但下降段的長(zhǎng)度越到后期越長(zhǎng),且越來越接近水平.這就達(dá)到了只發(fā)生軸向變形而不屈曲的效果.從圖5a可以看到,單鋼管支撐當(dāng)荷載達(dá)到131kN后出現(xiàn)了明顯的側(cè)移,說明構(gòu)件已經(jīng)失穩(wěn),這一點(diǎn)與圖4結(jié)果一致.但帶接觸環(huán)的約束屈曲支撐雖然發(fā)生了側(cè)移,其絕對(duì)值不到0.02mm,這與圖4b中曲線發(fā)生波動(dòng)相一致.2)單向加載的軸向荷載-側(cè)向位移曲線.兩種構(gòu)件的軸向承載力都在130kN附近,對(duì)普通雙鋼管支撐來說已經(jīng)超過了臨界荷載,但對(duì)帶接觸環(huán)雙鋼管約束屈曲支撐還沒有達(dá)到理論計(jì)算的歐拉臨界荷載182.37kN.從應(yīng)力云圖(圖6)可以看出,深色處表明綜合應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到屈服強(qiáng)度,說明內(nèi)核全長(zhǎng)范圍內(nèi)已經(jīng)屈服,耗散能量.此時(shí),從表2可知,單鋼管支撐的外荷載達(dá)到128.706kN時(shí)構(gòu)件內(nèi)核屈服,雙鋼管約束屈曲支撐的外荷載達(dá)到130.887kN時(shí)構(gòu)件內(nèi)核屈服,同時(shí)構(gòu)件開始產(chǎn)生側(cè)移(圖7),SP-1側(cè)移值大約3mm,SP-2側(cè)移值大約1mm,SP-3側(cè)移值大約0.6mm.若再繼續(xù)加載,側(cè)移不斷增大,SP-1側(cè)移值不斷增加(圖7a).模型SP-2最大側(cè)移值達(dá)12mm,雙管的間隙只有6mm,說明此時(shí)外套管也已經(jīng)彎曲(圖7b);而對(duì)于帶接觸環(huán)雙鋼管屈曲支撐,外套管與接觸環(huán)開始發(fā)揮作用,抑制側(cè)向位移的作用開始發(fā)揮,使內(nèi)核構(gòu)件不屈曲,只發(fā)生軸向變形,內(nèi)管剛屈服時(shí)側(cè)移值大約0.6mm,側(cè)移也隨時(shí)間緩慢增加,最大側(cè)移值時(shí)的變形見圖7c,出現(xiàn)兩階屈曲.2.3滯回曲線下雙鋼管約束屈曲支撐的特點(diǎn)在地震(反復(fù)荷載)作用下,支撐每經(jīng)過一個(gè)循環(huán),加載時(shí)先是吸收或儲(chǔ)存能量,卸載時(shí)釋放能量,但兩者能量不相等.兩者能量之差為支撐在一個(gè)循環(huán)中的耗散能量,也就是一個(gè)滯回曲線所含的面積,所以曲線越飽滿,則支撐的耗能能力越高.從滯回曲線(圖8a)結(jié)果表明,單鋼管支撐在最初的3個(gè)加載循環(huán)中,滯回曲線比較穩(wěn)定,到了第4個(gè)循環(huán)開始出現(xiàn)在受壓時(shí)屈曲,拉壓性能不能充分發(fā)揮.從圖8b看出普通雙鋼管約束屈曲支撐的滯回曲線比單鋼管支撐穩(wěn)定,但滯回曲線的骨架兩端小中間大,說明構(gòu)件的剛度和承載能力在下降,滯回性能隨之變化.而帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐受到外套管和接觸環(huán)的約束內(nèi)核在拉力和壓力作用下均可達(dá)到充分屈服(圖8c),通過往復(fù)周期循環(huán)20多圈后發(fā)現(xiàn),滯回曲線飽滿,滯回特性穩(wěn)定,其剛度和強(qiáng)度在拉壓狀態(tài)下均相同,具有很好的延性,可以作為減震阻尼構(gòu)件.同時(shí)由圖6b可以看出,構(gòu)件內(nèi)核段進(jìn)入了屈服狀態(tài),而連接段仍處于彈性狀態(tài)(圖5),這樣即保證了屈曲支撐與結(jié)構(gòu)的可靠連接,又使構(gòu)件具有良好的耗能能力.如果約束屈曲支撐的連接段過柔,會(huì)發(fā)生彎曲屈曲,從而影響整個(gè)支撐的耗能性能.另外,雙鋼管約束屈曲支撐在內(nèi)核的中部和端部放置了接觸環(huán),即增強(qiáng)了端部連接部位的剛度,又提高了內(nèi)核的屈曲臨界荷載,與其他支撐相比具有優(yōu)勢(shì)的一方面;另外方便了與主體結(jié)構(gòu)的連接,如與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接,可以直接采用相貫節(jié)點(diǎn)或螺栓連接,如與框架結(jié)構(gòu)連接增設(shè)結(jié)點(diǎn)板即可實(shí)現(xiàn).3約束屈曲支撐的優(yōu)點(diǎn)通過對(duì)鋼管支撐、普通雙鋼管支撐和帶有接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐的有限元分析,可以得出以下結(jié)論.1)帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐保證了內(nèi)核和外套管的整體屈曲變形,提高了屈曲臨界荷載,又能允許內(nèi)核發(fā)生橫向膨脹變形,具有良好的延性和穩(wěn)定飽滿的滯回特性,且沒有降低強(qiáng)度和剛度.2)約束屈曲支撐在內(nèi)核中部