三重钢管防屈曲耗能支撑性能的有限元模拟分析

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1、第25卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25NO．32008年9月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Sep．2008三重钢管防屈曲耗能支撑性能的有限元模拟分析邓雪松，褚洪民，钱洪涛，周云，陈麟(广州大学土木工程学院，广东广州510006)摘要：防屈曲耗能支撑克服了传统支撑受压屈曲的缺点，地震时具有良好的耗能能力和延性，是一种具有应用前景的耗能减震构件。本文介绍了三重钢管防屈曲耗能支撑的构造及耗能原理，采用ANSYS程序对其进行有限元分析，研究轴力管和约束管之间的空隙对于此种防屈曲耗能支撑承载力以及滞回耗能性能的影响，并用实验验证了有限元分析的正确性。研究结

2、果表明：采用ANSYS软件对三重钢管防屈曲支撑进行模拟分析是可行的，三重钢管防屈曲支撑工作原理明确，具有稳定的滞回耗能能力，空隙对防屈曲支撑的耗能能力以及承载力有重要影响。关键词：三重钢管防屈曲耗能支撑；空隙；耗能性能中图分类号：TU352．1文献标志码：A文章编号：1672—7037(2008)03—0099—05为提高高层钢结构的整体刚度，人们一般在结构中增设一些钢支撑构件。支撑可大大增加钢1构造原理框架的抗侧刚度，但在地震作用下钢支撑存在着受压屈曲问题，故往往需要加大支撑构件断面以三重钢管防屈曲耗能支撑最早由日本的蔌野符合设计要求，但仍难以保证在大震下不发生屈谷学等人提出，其主要由芯材管

3、、内外约束套曲失稳，从而影响到结构的抗震安全性。有鉴于管和无粘结材料组成，构造和截面形式分别如图此，日本、美国以及我国台湾等一些研究者开发1，2所示。芯材管包括两部分，轴力管1(屈服出一种受压时不发生屈曲的构件——防屈曲耗能部分)由低屈服点钢构成，其作用是作为耗能元支撑(Buckling—RestrainedBraces，简写为BRB)。由于克服了传统中心支撑受压时发生屈曲的缺点，防屈曲耗能支撑在弹性反应时是具有较大刚轴力管2外管内管轴力管1度的斜撑构件，在芯材屈服后又是一种性能优越的消能组件，能有效的吸收地震产生的能量。因此，这种构件同时具备了中心支撑和位移型阻尼器的功能，在工程抗震领域具有

4、广泛的应用前景[1-41。三重钢管防屈曲耗能支撑由于内外套管内没图1三重钢管防屈曲耗能支撑构造有填充砂浆或混凝土，因而自重较小，与典型的内约束钢管防屈曲耗能支撑相比，不仅适合于一般高层结构，空隙也适于在网架或网壳等大跨结构中使用。本文介核心钢管绍了三重钢管防屈曲耗能支撑的构造和耗能原空隙理，利用‘ANSYS程序分析了轴力管和约束管之外约束钢管间的空隙对于三重圆钢管防屈曲耗能支撑承载力及其滞回耗能性能的影响，并用实验验证了有限元分析的正确性。图2三重钢管防屈曲耗能支撑截面收稿日期：2007—11-20作者简介：邓雪松(1967一)，女，黑龙江呼兰人，副教授，硕士，研究方向为结构减震控制研究，de

5、ng2593@163．com。基金项目：科技部重大基础研究前期研究专项项目(2004CCA03300)；广东省自然科学基金(06021581)；广东省科技计划项目(2007B030401010)：广州市科技攻关重大项目(2004Z1-E0051)；广州市属高校科技计划重点项目。·100·华中科技大学学报(城市科学版)2008年件，通过屈服后滞回耗能；轴力管2(非屈服部撑的某些部位的应力集中现象。工作原理如图3分)由普通钢材构成，不产生屈服。内外套管为所示，在地震荷载作用下，所承受的轴向力作用屈曲约束单元，目的是保证芯材管不发生屈曲现全部由芯材管承受，轴力管1在轴向拉力和压力象，并防止由于轴力管

6、1屈服而导致的支撑结构作用下屈服耗能，而内外围约束钢管提供给芯材承载力下降现象发生，还可以解决防屈曲耗能支管弯曲限制，避免芯材管受压时屈曲⋯。F未屈【ffl(屈服)传统支承防屈曲耗能支承图3传统支撑与三重钢管防屈曲耗能支撑在地震荷载作用下的变形对比泊松比0．3，它的双线性本构关系如图5所示。由于我国目前尚不能生产低屈服点钢，因此本文所研究的三重钢管防屈曲耗能支撑芯材构件与内外套管均选用国产钢材，支撑内核构件轴力管1采用Q235级钢材，内外套管均采用Q345级钢材，为防止支撑端部发生局部屈曲，因此对轴力管2也采用Q345钢材。核心钢管设计长度为500mln，其中轴力管1为400mnl，轴力管2为

7、100rnlTl，内外套管设计长度460I／llI1。为防止图5应力一应变曲线图2．2钢管单元的定义防屈曲耗能支撑在加载过程中发生整体屈曲，内钢材均用Solid45单元来模拟，此单元是一外钢管以及核心钢管厚度均设为2mlTl，内外套种八节点三维实体单元，每个节点有三个自由度，管与核心钢管的空隙分别设为0ml'n、1mm、2mlil、31／1111，以研究空隙大小对防屈曲耗能支撑可以支持材料塑性、徐