销钉位置对双管式防屈曲支撑的性能影响分析
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摘要：采用ANSYS有限元软件，对双管式防屈曲支撑的性能进行模拟分析。通过模态分析和拟静力加载分析对比这两个方案的优劣性。结果表明：双管式防屈曲支撑是一种优良的耗能构件，该构件在实际应用中将销钉安装于内管中间位置效果良好，起到了固定外管位置的作用而且不影响支撑的应力分布，保持了良好的滞回耗能能力。
Abstract： The performance of double-tube buckling-restrained brace is studied in the thesis by using ANSYS finite element software.Through the modal analysis and the quasi static load analysis， comparative analysis on the advantages and disadvantages of two models is made.The results indicate that： double-tube buckling-restrained brace is a kind of excellent brace with good energy dissipation capacity. It is better to install the pin bolt in the middle of double-tube buckling-restrained brace in the actual application than installing them on two side of brace. The pin bolt plays an important role in fixed outside tube position and does not affect the supportstress distribution， and keeps good hysteretic energy dissipation capacity.
Key words： double-tube buckling-restrained brace；location of pin bolt；modal analysis；quasi static load
中图分类号：TU399 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）34-0125-03
0 引言
防屈曲支撑是一种新型的耗能减震支撑构件，其通常是由低屈服强度支撑内芯，以及约束构件组成。在大震作用下外套管的起约束作用，支撑内芯的全截面能够全面屈服，从而达到耗能减震的目的。目前对于防屈曲支撑的研究和工程应用主要集中在钢管混凝土约束的约束形式，相对而言纯钢管约束的支撑形式研究较少[1，2]，特别是针对双管式防屈曲支撑的研究主要以实验研究[3]为主，未给出可行性的方案。本论文就销钉位置对双管式防屈曲支撑（如图1）的影响进行了有限元模拟分析。
1 结构模型的建立
①单元的定义。本文采用ANSYS有限元软件，选取八节点实体单元SOLID45模型的模拟结果较为接近理论值。接触问题选用面面接触来模拟本次研究，模拟中外管上的接触面使用Targe170单元定义，Conta174单元定义内管上的约束单元。②材料属性。本次模拟试验中采用20号钢作为防屈曲支撑的内外管，屈服强度为245MPa，泊松比为0.3，弹性模量为2.06×105MPa。③模型建立。构建a、b两个尺寸完全相同模型，内管长为1360，外管1340，外管外直径60，管厚4.5，内管外直径45，管厚3.5。内外管的间保持均匀缝隙。在外管的两侧钢板尺寸为100×80×12。销钉位置不同，模型a在管件最中间设置一根3×3×52的细长杆件作为简化的销钉；模型b在外管Z方向两端管口处分别设置一根同样尺寸的销钉；模型a、b销钉均贯穿内外管固定在外管。④约束。两端约束条件为：左端约束X、Y、Z方向的三个平动自由度，释放三个转动自由度；右端约束X、Y方向的两个平动自由度，释放X、Y、Z方向的三个转动自由度以及Z方向的横向自由度[4]。
2 模态分析
分块法作为此次模态分析中模态提取方法，将模态提取数量设置为10。零频率只出现了一个，因此由第二阶模态开始分析比较。
由图2、图3比较可以看出，由于模型a销钉位置设置在内管中间，使得变形量最大位置发生了变化，变形量大的位置在销钉两侧而销钉位置的变形量较小。在模型b中由于外管口处设置了销钉，屈曲首先发生在内管中部位置，跟预期一致。通过模拟看到到模型b变形量要大于a，模型b在第二模态下比较容易发生局部失稳状况。
在外管位移云图中第二阶模态（图4、5）最具有代表性。模型a最应该关注的是外套管两侧端口处，适当加强此处刚度防止外套管局部破坏而失稳。而模型b的外管套受力更加均衡一些，因此可以适当增加整体外套管的刚度和强度。
通过分析频率周期和振型图可知，两种模型的某些自振特性较为相近，后几阶模态的自振周期较为近似，见表1。模型a比模型b的频率略大，周期略小。框架结构的刚度以及自振周期可以通过该构件的安装而发生改变，进而通过这种方法可以调节框架结构的自振周期，使其避开场地卓越周期，来避免结构共振反应发生。
3 拟静力加载分析
对模型在轴压拉状态下整体稳定分析[5]。加载均取外侧取中心节点，对一端中心节点施加全约束，另一端中心节点施加对X轴和Y轴方向的约束。加载步骤：模型约束一端，对中心节点施加Z轴方向位移荷载，分为四个加载步，加载步位移为均匀增减达到士8mm。①滞回曲线分析。通过调用节点反力与位移的数据，得出模型a在经过低周循环加载中的滞回曲线，大致和预期相一致，见图6。滞回环得饱满程度说明模型a具有较优的耗能能力。滞回曲线方面模型a所得到的比模型b更加饱满，所包围面积较大，说明模型a的耗能能力要强于模型b。②骨架曲线分析。调出a，b两个模型计算结构数据可绘制出每个模型的骨架曲线，见图8所示为两个模型骨架曲线的对比图。根据两模型的骨架曲线可以看出，骨架曲线包裹模型a的面积更加大，通过能量等效面积法的力―位移曲线可以得到结构的屈服荷载，容易得出模型a的屈服荷载要大于模型b的，因此a的承载能力较强。
4 结论
①模态分析中模型b的内外管在第二模态便发生了较大位移变形，第三模态更甚，相对模型a来说更容易屈服破坏。
②模型a所得到的滞回曲线相对丰满，说明a的滞回耗能能力更强大；骨架线的包裹面积也充分说明它的屈服荷载高，承载能力更高。
③综上所述最好在内管中部安装销钉，既可以固定外管位置并且不影响支撑的应力分布，同时提高滞回耗能能力。
参考文献：
[1]周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].中国建筑工业出版社，2007.
[2]程光煜，许秀珍，叶列平，等.无粘结防屈曲耗能钢支撑的试验研究[C]高层建筑抗震技术交流会.2007.
[3]贾建坡.双管式屈曲约束支撑力学性能的试验研究[D].河北工程大学，2008.
[4]李清扬，杜小飞，刘远鹏，等.角钢轴压构件畸变与局部相关屈曲分析[J].河北工程大学学报（自然科学版），2016（1）：35-39.
[5]史三元，贾建坡.屈曲约束支撑在轴压力下整体稳定分析[J].工业建筑，2007，37（S1）：465-466.