一种具有可变截面核心的新型防屈曲支撑

摘要

本文提出并研究了一种新型的变截面核心(BRB-VCC)抗屈曲支撑。从力学和数学理论出发，推导出BRB-VCC的实用设计方程。设计并测试了6个试件，以阐明BRB-VCC的力学行为，并验证所提出的方程的可靠性。试验结果表明:(1)试件在压缩作用下均未发生变形，延性和耗能能力均较好;(2)推导的公式可靠，便于工程实际应用;(3) BRB-VCC的屈服位移约为传统TJ-1屈曲约束支撑(BRB-TJ-1)的70%，在地震作用下，BRB-VCC在混凝土结构中屈服较BRB-TJ-1提前。

1.介绍

屈曲约束支撑(BRB)通常由一个外部抑制器和一个内芯组成，由于外部抑制器的横向支撑，内核在压缩时不会屈曲[1- - - - - -3.］．在过去的几十年里，BRB赢得了研究人员的广泛青睐，世界各地的学者开发了许多不同类型的BRB [4，5］．

在实际工程中，BRBs广泛应用于混凝土结构中，安装BRBs的混凝土结构的破坏模式引起了许多研究者的关注[6- - - - - -10］．Wu et al. [11[通过拟静力试验研究了BRBs混凝土框架的抗震性能;结果表明，钢筋混凝土框架的损伤早于brb。Bazaez和Dusicka [12[，]对装有斜向brb的钢筋混凝土框架进行了大规模试验，结果表明，尽管brb能抵抗相当大的内力，但混凝土构件损伤严重。梁和李[13)提出了一个全面的调查有关的设计方法和地震行为核心筒混合结构,研究结果表明,马上回来有效提高钢框架的刚度和承载力,降低结构的地震响应的形式耗散能量的设备。

混凝土主体结构的破坏严重威胁着结构的整体安全。因此，许多学者提出损伤应集中在brb上，主体结构应保持弹性状态[14- - - - - -17］．Tabatabaei等人[18]通过将岩心分为屈服岩心和非屈服非屈曲岩心，研制了一种新型的缩短长度BRB (RLBRB);结果表明，屈服芯的相对长度与屈服位移的大小有关。布鲁诺等人[19]提出了一种损伤控制设计方法，该方法假设所有损伤均集中在brb上，且主竖向荷载结构处于弹性状态。Guerrero等人[20.]提出了一种基于性能的brb加固建筑设计方法，可用于快速计算普通低层建筑的响应。Barbagallo等[21]提出了基于EC8规范的钢筋混凝土结构抗震设计方法。

综上所述，BRB的屈服位移对整个结构的抗震性能有重要影响。然而，学者们主要关注的是brb是否表现出稳定的歇斯底里行为和高延展性[12，22，23，而减少brb屈服位移的方法则很少被考虑[24- - - - - -27］．

综上所述，对小屈服位移brb的分析具有重要的研究意义和实际应用价值。因此，本文提出了一种新型的变截面芯材屈曲约束支撑(BRB-VCC)，该支撑由于芯材某些部位的屈服早于其余部位，从而减小了芯材的屈服位移。推导了预测BRB-VCC屈服强度、屈服位移和轴向刚度的理论方程。通过对六个试件的测试，明确了其力学行为和耗能能力。实验结果验证了理论公式的可靠性。最后，通过有限元分析比较了BRB-VCC和BRB-TJ-1的性能。

2.典型BRB-VCC的组成

如图所示1，典型的BRB-VCC由一个内芯和一个外抑制管组成。核心由连接段、过渡段、平板段、加筋板段等几部分组成。在往复轴向力的作用下，肋与管之间的轴向滑动可以自由发生。肋焊接在芯板上。众所周知，焊接过程中会产生焊接应力，焊接应力会降低钢的疲劳强度。为了保证焊缝质量，本文提出了以下三种方法:(1)对分布在芯板两侧的焊缝进行对称焊接，使焊接变形相互偏移;(2)采用分段焊接顺序，尽量减少铁芯的焊接变形;(3)焊接前预热或焊接后回火也可以用来减轻焊接应力。

(一)

(b)

3.理论公式

3．1.力学模型

为简便起见，假设外管的弯曲刚度为无穷大，在力学模型中，外管被替换为一组滑动支座，如图所示2．参考坐标系的原点，x-y位于内核的左侧。的距离x表示横截面到原点的距离。轴向力F在压缩时为正，在紧张时为负。

3．2．平板段的屈曲能力

如图所示1时，平板段与加筋板段相邻。因此，可以将平板简化为具有自由卸载边和固定加载边的矩形板，平板段的屈曲情况如图所示3.，应在设计过程中加以防止。

根据弹性稳定理论[2，则均匀压缩下屈曲板的微分方程可表示为在哪里，即板的抗弯刚度;E为弹性模量;t为平板段的厚度;ν泊松比;ω为挠度函数;和问_x为每条边单位长度的压缩力的大小。

挠度函数ω可以用下面的表达式表示: 在哪里一个是恒定的,l₄平板段的长度是沿x设在。

考虑了平板段在边缘处的固定边界条件x= 0和x=l₄，则可得平板段的屈曲能力为在哪里b表示平板的宽度。

3．3.平板段轴向强度

的屈服强度F_{y, 4}和极限强度F_{u, 4}，由下式可得[15]：在哪里f_y为钢的屈服强度，f_u是芯材的极限强度，和一个₄为平板段的横截面面积。

3．4．平板段的最大长度

从方程(3.)，我们发现平板管片的屈曲能力是有效长度0.5的倒数函数l₄．随着有效长度的减小，其屈曲能力逐渐增大。对于足够短的板，其抗压能力取决于芯的屈服强度。当F_{y, 4}=P_{cr, 4}时，平板段的最大长度可由下式求得:

3．5.加强板段最大横截面面积

长度范围内的加强板段的横截面面积l_3.和l₅(见图1 (b)）：在哪里一个_3.和一个₅表示内芯各部分的横截面面积l_3.和l₅,分别。

为保证加筋板段在平板段分裂之前屈服，加筋板段的轴向屈服强度必须小于平板段的极限强度:

因此，可确定加筋板段的最大横截面积为:

3.6。BRB-VCC的轴向刚度

3.6.1。理想化的F -δ图

理想化的F-δ图中显示了核心的示意图4．核心最初表现出一种线性关系F和δ在弹性状态下，弹性刚度表示为k_e．当继续加载时，一个点(F_日元δ_日元)时，平板段屈服;这个点称为第一个屈服点。当负载F超过F_日元时，平板段达到应变硬化阶段，第一个塑性刚度用表示k_p1．轴向力F，直到加筋板段屈服，此时表示第二个屈服点(F_y2,δ_y2）.如果继续加载，加筋板段达到应变硬化阶段，第二次塑性刚度k_p2可以被识别。

操作。弹性刚度k_e

如图所示2，横截面面积一个_2，x不同的x-轴，它们可以通过在哪里一个₁为连接段的截面积，l₁是连接段的长度，和l₂为过渡段的长度。

通过对长度积分l_我单独地，在轴向的作用下每个节段的轴向伸长或缩短F可以使用以下表达式获取:

对于每一节段，弹性刚度可由公式求得

因此，弹性刚度可以表示为

3.6.3。第一个塑料刚度k_p1

通过对长度积分l₄，可得平板段塑性长度沿轴向变化: 在哪里E_t为芯材的切线模量。

平板管片的塑性刚度可表示为

用方程(14)在等式(12)，第一芯的塑性刚度等于

3.6.4。第二个塑料刚度k_p2

当轴向力F等于第二个屈服力F_y2时，平板段和加筋板段均进入塑性状态。加筋板段长度的变化等于

加筋板段的塑性刚度为

因此，利用该方法可以得到芯体的二次塑性刚度

4.设计过程

为了实现一个成功的设计，内芯的实际设计过程，包括以下步骤，在流程图中描述，如图所示5．（１）选择BRB-VCC的初始几何参数。（２）用本节给出的理论公式计算力学参数3.．（3)识别平板段的失效模式:如果F_y4≤P_{cr, 4}， BRB-VCC由于平板段的屈服而失败，如预期的那样。否则，BRB-VCC会因平板段的屈曲而失效。如果是，返回步骤(1)，重新选择平板段的几何参数，迭代直到F_y4>P_{cr, 4}．(4）检查加强板段是否在平板段开裂前屈服。在本例中，if方程(7)满足时，加筋板段在平板段破坏前进入屈服状态。否则，BRB-VCC在加筋板屈服之前就会失效。如果出现这种情况，返回步骤(1)重新选择平板段和加筋板段的截面，并重复直到F_y3=F_y4≤F_{u, 4}是满意的。

5.测试程序

5．1.样品的细节

试件设计的主要目的是确保试件能够反映BRB-VCC的力学性能，试件尺寸应保证试件具有良好的延性和稳定的滞回行为，不会发生局部屈曲或整体屈曲。试件的详细信息如图所示6，六个试件的几何参数列于表中1．用于制作试样的材料Q235B的性能见表2．


系列	标本ID	段的长度							肋骨			核心板			抑制管
系列	标本ID	l	l₀	l₁	l₂	l_3.	l₄	l₅	b_r1	b_r2	t_r	b	b_c	t_c	b_t	t_t	l_t

骶髂关节	BRB-VCC-1(2、3)	360	39	16	10	30.	10	150	12	9	6	30.	24	6	32	4	230
s ii	BRB-VCC-4(5、6)	339	20.	16	10	30.	10	167	10	7	6	26	20.	6	28	4	247


钢的等级	弹性模量E(MPa)	屈服强度f_y(MPa)	屈服应变ε_y	极限强度f_u(MPa)	泊松比ν

Q235B	1.91×10⁵	251.3	0.0015	440	0．3

5.2。测试设置和加载协议

如图所示7时，试件在推拉疲劳试验机(MTS 880)上加载。试件的准静态加载方案如图所示8．轴向加载以0.1 mm/s的加载速度进行。同一系列试件的准静态加载方案不同，如图所示8．值得注意的是，BRB-VCC-1比BRB-VCC-2和BRB-VCC-3经历了更多的加载循环，BRB-VCC-4也比BRB-VCC-5和BRB-VCC-6经历了更多的加载循环。

5.3。测试结果

5.3.1。损坏的现象

在测试时，内芯可以在抑制管内自由收缩或拉伸。肋板与平板之间的焊缝未发现损坏。在压缩作用下，芯体不发生局部或全局的屈曲，抑制管不发生明显变形，如图所示9．

(一)

(b)

5.3.2。滞后响应

六个试件的滞回曲线如图所示10和11．试件的耗能能力较好。BRB-VCC-1与BRB-VCC-2、BRB-VCC-3的滞环不同，BRB-VCC-4与BRB-VCC-5、BRB-VCC-6的滞环也不同。主要原因是BRB-VCC-1和BRB-VCC-4承受的加载周期更多，导致试件S-I和S-II的累积损伤更大，BRB-VCC-1和BRB-VCC-4的迟滞环箍缩更严重。

(一)

(b)

(c)

(一)

(b)

(c)

5.3.3。骨架曲线

六个试件的骨架曲线如图所示12．可以看出，试件的延性是令人满意的。表格3.列出试样的主要力学参数。通过对两系列试件的对比可知，BRB-VCC-1的轴向承载力大于BRB-VCC-4。结果表明，平板截面面积越大，整个BRB-VCC的容量越大。强度比率F_{c u}/F_{t u}不超过1.3，满足ANSI/AISC 341-10第K3节规定的brb标准[9］．

(一)

(b)


系列	标本	张力			压缩			F_{c u}/F_{t u}
系列	标本	F_{t u}(kN)	δ_{t u}(毫米)	圈	F_{c u}(kN)	δ_{c u}(毫米)	圈	F_{c u}/F_{t u}

骶髂关节	BRB-VCC-1	51.78	1．70	51	52.27	１．５０	45	1．01
	BRB-VCC-2	55.65	2．21	33	61.19	１．８０	27	1．10
	BRB-VCC-3	54.87	2．41	24	58.63	2．10	21	1.07

s ii	BRB-VCC-4	35.33	1．20	36	35.95	1．20	34	1．02
	BRB-VCC-5	37.02	2．00	30.	38.75	2.01	29	１．０５
	BRB-VCC-6	41.35	2．11	22	51.68	2．10	20.	1．25

6.验证理论

表格4列出从试验和公式中获得的试样的主要力学性能。实验结果与计算结果吻合较好。因此，所提出的公式是可靠的，可用于实际工程中BRB-VCCs的主要力学参数的预测。


系列	标本	k_e(kN /毫米)			F_y(kN)			δ_y(毫米)
系列	标本	测试	公式	误差(%)	测试	公式	误差(%)	测试	公式	误差(%)

骶髂关节	BRB-VCC-1	130.2	131.5	0．10	35.2	36．1	2.74	0.29	0.28	1.82
	BRB-VCC-2	133.5		1.49	36．0		０．３３	0．30		2．18
	BRB-VCC-3	139.4		5.63	36.6		1．33	0.28		4.36

s ii	BRB-VCC-4	110.4	115.2	4.19	30.7	30．1	1.83	０．２３	0．24	4．16
	BRB-VCC-5	115.6		0.29	31.5		4.48	0．24		0
	BRB-VCC-6	109.4		5.02	31.7		5.02	０．２３		4．16

7.有限元分析

7.1。ABAQUS分析的可靠性

采用实体单元C3D8R，利用ABAQUS软件对试件进行了数值模拟。通过定义触点，模拟了芯管之间的相互作用。接触的法向行为被定义为“硬”接触，而接触的切向行为是平滑的。在ABAQUS中，Q235B的应力-应变关系为双线性关系，材料性能如表所示2．

通过测试，BRB-VCC-3的滞回线与ABAQUS的滞回线吻合良好，如图所示13，证明了有限元计算结果的可靠性。抑制管和芯的米塞斯应力分布如图所示14，这表明平板部分确实比核心的其他部分更早屈服。

(一)

(b)

7.2。与BRB-TJ-1

7.2.1。设计的模型

通过有限元分析，将BRB-VCCs与传统的TJ-I屈曲约束支撑(BRB-TJ-I)进行了比较。由同济大学李国强教授发明的BRB-TJ-I已成功应用于国内许多重大项目。BRB-TJ-I和BRB-VCCs的组成如图所示15，其几何参数列于表中5．所用钢材为Q235B，材料性能如表所示2．

(一)

(b)


模型	抑制管	核心	端肋	中间的肋骨	平板市场
模型	l_t×B₁×B₂×t₁	l×b₁×b₂×t₂	l_d1×l_d2×H₁×H₂×t_3.	l_年代×H₂×t_3.	l_f	数量

BRB-TJ-I	1080 × 102 × 94 × 12	1600 × 100 × 80 × 10	180 × 60 × 45 × 30 × 8	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
BRB-VCC-7				520 × 30 × 8	80	1
BRB-VCC-8				346 × 30 × 8	40	2
BRB-VCC-9				208 × 30 × 8	20.	4

本节有限元模型的精确建立方法与本节方法相同7．1．整个模型如图所示16．

7.2.2。模型中的产量区域

通过在ABAQUS软件中观察参数AC yield的动态图像，可以识别模型的屈服点。对于BRB-TJ-I型芯，轴向力达到屈服能力时，芯体各区域同时屈服，如图所示17．

对于BRB-VCCs，平板段首先屈服，而核心的其余部分仍保持弹性，如图所示(18日)，(19日),20(一个)．当轴向力达到其屈服能力时，加筋板段屈服，如图所示18 (b)，19 (b),20 (b)．

(一)

(b)

(一)

(b)

(一)

(b)

7.2.3。机械性能比较

模型的滞回曲线如图所示21．BRB-TJ-I的滞回曲线只有一个屈服点，如图所示(21日)．值得注意的是，在brb - vcc曲线上有两个屈服点，它们的确切位置已在图中标出21 (b)- - - - - -21日(d)．

(一)

(b)

(c)

(d)

表中列出了各型号的主要力学性能6．结果表明:(1)BRB-VCCs的屈服位移约为BRB-TJ-I的73%。(2)在平板段屈服后，BRB-VCCs的相互作用力比BRB-TJ-I增加得快。(3)与BRB-TJ-I不同，BRB-VCCs的滞回曲线在第二个屈服点之后出现了轻微的捏缩，如图所示21．


模型	k_e(kN /毫米)	第一个屈服点		第二个屈服点		BRB-VCCs与BRB-TJ比值-І (%)
模型	k_e(kN /毫米)	F_日元	δ_日元	F_y2	δ_y2	k_e	F_日元	δ_日元

BRB-TJ-I	117.8	195.6	1.86	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
BRB-VCC-7	154.9	201.6	1.35	333.4	1．52	1.31	1.03	72．5
BRB-VCC-8	148.5	198.4	1．37	325.9	1.81	１．２６	1．01	73.6
BRB-VCC-9	141.2	200.2	1．37	300.9	1.92	1．20	1．02	73.6

8.结论

根据本文得到的理论、实验和有限元研究结果，可以得出以下结论:（１）所提出的设计方程是可靠的，可以方便地应用于实际工程中（２）BRB-VCC试件的滞回性能和延性良好，强度比良好F_{c u}/F_{t u}试样的强度不超过1.3，满足ANSI/AISC 341-10第K3节中定义的brb标准（3)BRB-VCC的屈服位移约为BRB-TJ-I的70%，在地震作用下，BRB-TJ-I在混凝土结构中屈服较BRB-TJ-I早

数据可用性

支持本研究发现的数据可通过电子邮件从通信作者处获得:bright_li@chd.edu.cn．

附加分

(i)提出了一种新型的变截面核心防屈曲支撑。(ii)推导出支撑设计参数预测的理论公式;进行试验以澄清支撑的性能并证明方程的可靠性;(iv)将提出的BRB的行为与传统BRB的行为进行比较。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

感谢李斌斌先生为标本设计提供的宝贵建议。本研究由国家自然科学基金资助项目(no. 070723);国家自然科学基金资助项目(51208057);基金资助:中央高校基本科研业务费资助项目(no. 2019JM-522);300102288104.

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土木工程进展

摘要

1.介绍

2.典型BRB-VCC的组成

3.理论公式

3．1.力学模型

3．2．平板段的屈曲能力

3．3.平板段轴向强度

3．4．平板段的最大长度

3．5.加强板段最大横截面面积

3.6。BRB-VCC的轴向刚度

3.6.1。理想化的F -δ图

操作。弹性刚度k_e

3.6.3。第一个塑料刚度k_p1

3.6.4。第二个塑料刚度k_p2

4.设计过程

5.测试程序

5．1.样品的细节

5.2。测试设置和加载协议

5.3。测试结果

5.3.1。损坏的现象

5.3.2。滞后响应

5.3.3。骨架曲线

6.验证理论

7.有限元分析

7.1。ABAQUS分析的可靠性

7.2。与BRB-TJ-1

7.2.1。设计的模型

7.2.2。模型中的产量区域

7.2.3。机械性能比较

8.结论

数据可用性

附加分

的利益冲突

致谢

参考文献

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1.介绍

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3.理论公式

3．1.力学模型

3．2．平板段的屈曲能力

3．3.平板段轴向强度

3．4．平板段的最大长度

3．5.加强板段最大横截面面积

3.6。BRB-VCC的轴向刚度

3.6.1。理想化的F -δ图

操作。弹性刚度ke

3.6.3。第一个塑料刚度kp1

3.6.4。第二个塑料刚度kp2

4.设计过程

5.测试程序

5．1.样品的细节

5.2。测试设置和加载协议

5.3。测试结果

5.3.1。损坏的现象

5.3.2。滞后响应

5.3.3。骨架曲线

6.验证理论

7.有限元分析

7.1。ABAQUS分析的可靠性

7.2。与BRB-TJ-1

7.2.1。设计的模型

7.2.2。模型中的产量区域

7.2.3。机械性能比较

8.结论

数据可用性

附加分

的利益冲突

致谢

参考文献

版权

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操作。弹性刚度k_e

3.6.3。第一个塑料刚度k_p1

3.6.4。第二个塑料刚度k_p2