防屈曲钢支撑阻尼器的试验及简化计算模型

防屈曲钢支撑阻尼器的试验及简化计算模型摘要：本文对一字形内芯外包钢管的防屈曲钢支撑阻尼器(BRB)进行了试验研究，并确定其简化计算模型。BRB的静力往复试验结果表明它具有很好的滞回特性和耗能性能。对装有BRB的结构进行子结构拟动力试验，结果表明地震作用下装有BRB的结构的抗震能力得到了很大的提高，BRB有效地降低了结构的最大位移。通过三种方法确定模拟BRB滞回特性的简化计算模型，分别用ANSYS软件进行理论分析并与试验得到的BRB结构的地震反应进行比较，结果表明利用耗能面积相等确定的双线性模型最合理。关键词：防屈曲钢支撑阻尼器；静力往复试验；滞回特性；子结构拟动力试验；双线性模型Testandsimplifiedmodelofallsteelbuckling-restrainedbracesAbstract：Testsareconductedonallsteelbuckling-restrainedbraces(BRBs),eachconsistingofasteelflatbarencasedinasquaresteeltube.TheresultsfromstaticcyclictestsdemonstratethestablehystereticbehaviorandsubstantialenergyabsorptioncapacityoftheBRB.InsubstructurepseudodynamictestsperformedonastructurewithBRB,theallsteelBRBssuppresssignificantlytheseismicresponseofthestructurebydissipatingmostofthevibrationenergythroughinelasticdeformation.BilinearmodelssimulatinghysteresticbehaviorofBRBsaredeterminedbythreemethods.ThestructuralresponsescomputedbythethreemethodsfromANSYSsoftwarearecomparedwiththatfromthetests.Thecomparisonshowsthatthebilinearmodelistherationalonewhichareaofenergyabsorptionisequaltothatofhystereticcurvefromthetest.Keyword：allsteelbuckling-restrainedbrace;staticcyclicloadingtest;hystereticcharacteristics;substructurepseudodynamictest;bilinearmodel引言防屈曲钢支撑阻尼器(BRB)是一种受压时不易发生屈曲的轴力构件，目前已在多座建筑中得到应用[1-4]。典型的BRB由三部分组成，承受大部分轴向力的内芯耗能部分、有侧向约束作用的钢管混凝土，和减小摩擦阻力的无粘结材料[5]。内芯耗能部分可以应用各种类型的钢结构断面[3,6]，比较典型的是内芯为十字形型钢。本文研究的BRB由两部分组成，内芯为一字形钢截面，具有耗能作用，外部钢管起到侧向约束作用并防止整体屈曲。由于钢板间的摩擦力颇小，故可不采用无粘结材料也能达到良好的侧向约束效果，这种外包钢管的阻尼器的特点是制作比外包钢管混凝土的阻尼器简单得多。我们对这种阻尼器进行静力往复试验[7]，试验结果表明它具有很好的滞回特性和耗能性能。将BRBs配置到结构中适当的位置，形成防屈曲钢支撑阻尼减振结构(简称BRB结构)，并对这种结构进行子结构拟动力试验[8]，结果表明地震作用下BRB结构的抗震能力得到了很大的提高，BRB有效地降低了结构的最大位移。此外，为了很好的模拟BRB的滞回特性，我们用三种方法确定可以模拟BRB的双线性模型，分别利用这三种模型进行ANSYS理论分析，得到的BRBs结构的地震反应与试验得到的进行对比，选择最合理的一种双线性模型作为BRB的简化模型。试验概况静力往复试验和子结构拟动力试验所用试件的参数见表1，其中试件的屈曲力近似等于钢管的临界屈曲力[5]。试件尺寸如图2所示。试验在哈尔滨工业大学力学与结构试验中心250吨MTS电液伺服试验机上进行，试验装置见图3。表1试件参数明细表Table1Specimenparameters垂内芯逮钢管故屈曲力格(碍KN)急图须3黑装置图齐F余ig.3店photog禁raph诵ofex抹perime狸ntals割etup考宽床(骆mm)陪厚眼(苦mm)鞠面池积宰(旅mm戏2漏)辛截面尺抗寸撕(缓mm×mm)纯72茧13理936带70×4.8狐1326.0祖3洪耽枪剩砌图暑2摩正试件示意晨图殖护F别ig.2集Dimens械ionso郊fb黑ucklin晶g-rest埋rained焦津b蓄race试验研究2.1静力往复试验静力往复试验的目的是研究防屈曲钢支撑阻尼器的滞回性能，试件的加载方式采用变幅位移控制加载，主要参数见表2，加载历程如图4所示。表2静力往复试验的加载参数Table2Specimenparameters蜘第～周意位移振扇幅音(值mm)符应泳变连(内％沸)牌延性身图视4矩创静力往复试验恋的加载历程地F烫ig.4只Loadin妨ghist备oryfo畏rstat错ictes粘ts烛1芒～纸2贴2.68须0.235火2.35证3桨～霞4兆5.36碑0.470叹4.70滔5局～神6文8.04揉0.705犯7.05仅7筝～兆8福10.72兼0.940叮9.40悔9觉～迫10筒13.40刺1.175蒙11.75底1稿1割～歌12尚16.08超1.410维14.11图5为试验得到的滞回曲线，从图中可以看到，BRB在受拉、受压时都能屈服，位移加载到第11周整体屈曲破坏，最大位移达到16.08mm。滞回圈饱满，没有颈缩和强度折减的现象。轴向拉力和轴向压力差较小，说明钢板间的摩擦力很小。这样防止了轴向压力强度过度提高，避免钢管不能提供有效的侧向约束能力，也避免了试件发生局部屈曲破坏，确保了阻尼器达到很好的耗能作用[9]。试件在各个反复位移下的拉压差随着反复应变增加而增加。再2.绣2方子结构拟动力格试验陷为研究装有盯防屈曲孟钢支撑阻尼器斯的框架在地震自下的动力反应诉，本文选择两葛层装饲有迟BRB铁s少的钢框架进行莲子结构拟动力庸试验，如垒图会6娇所示。从图中梨可以看出，作名为试验子结骗构的阻尼器呈幅复杂的非线性粮特征，可由试杂验获得。而作轰为计算子结构骗的框架处于弹换性状态，可以正由计算机丧进行模拟，采碧用中央差分法新数值求解动力孙方程筝[呢10步]屿。子结构拟动杏力试验大大地钻降低了试件的梅尺寸和规模，浇从而解决了实药验室规模对大四型结构试验的扛限制，同时也搏降低了费用。踩采用的算例是筹一幢两层钢框孔架，平面图及柿剖面图如春图卖7状所示。框架梁尊、柱均采用焊赶接姿H渣型钢截面，材汗质均否为勤Q23汤5透钢；梁、柱节掏点采用现场焊狠接连接；框架俭柱考虑在现场它吊装。屋（楼孟）面构造均采喘用预制肋式钢滩筋混凝土板上币加西40mm信配筋整浇层。煎外墙采用加气麦混土坡（宾20学0能厚）外包砌筑垮，并分别由各迈层墙梁支托。奥风荷载及雪荷这载标准值分别励为担0.35KN嘱/m镇2茂及纤0.4KN/个m走2领，各层楼盖上壁活荷载标准值抹均摊为穗5.0KN束/m母2受，屋面活推图魂5(a堡)稼破坏形态朝图碧栋懂籍(b幅)灿滞回曲线钉F滩ig.5(a箭)Failu斥re徒ofsp桨ecimen拼(b栏)Recor把dedfo朝rce-di戒splace驴ment计算子结构计算子结构实验子结构驱动作动筒直至实验子结构达到指定位移，并测量其反力实验子结构的反力实验子结构和计算子结构界面的位移计算在测的反力及外荷载作用下的位移外荷载娃图裹6顺白子结构拟动力粮试验图谢帆F杯ig.6S录chemat煤icof沿substr晚ucture芳pseud冠odynam鬼ic阻tes迈t粥ofst女ructur戴ewith陶b击race籍荷载标准值聚为巷0.7KN乓/m剥2拜。抗震设防烈绒度评为赖9竖度，并妻按弹Ⅱ蛋类场地土及近肆震条件考虑芽。说ANSY登S东模态分析剥结果显示框架嗓结挖构馆(据没有械BR愿B骂的结构，即无未控结构掠)酷两个周期依次法为慎0.395墨8颗秒、离0.帜154补4盛秒。庆在框架的底层寇安装两支油BRBs骗，其泼内芯贩材质布为迁Q23诵5受钢，安装位置颤如紫图珍7然所示。燥BR稠B勾的尺寸参数见丹表呢1形。颠图熟7桨朋二层钢框架示研意胸图滩馒（写a疮）平面询图叹箩（压b波）剖面图斯F县ig.7T维wo-sto稀ryste挽elfra耳me息宪（驻a秤）自Planv锯iew怨去（网b苦）预Sectio望nview粱试验中把结构据简化成两自由鹰度的模型作为报计算子结构，疑模型确定如下滨：取一半框架秩，即孝图碌7(a白)具中左边燃的煎3蜂榀半，装有一浮支环BR潜B炸，将这样的框贴架结构按几何屡相似词比童1蹲：寇3速转换成结构模取型，以下均采克用该结构模型由进行分析，除签去芝BR摇B嗽的无控结构模扛型的质量矩阵历和刚度矩阵始由糠ANSY渔S婆算得贝：痒，扎地震波选毯用骤Elcent些r虎o绞波，峰值加速挤度为刷600gal浮，时间步掀长角0.01s瘦，按迎相似比换算后洁时间步长赴△哭t蚕为阻0.0057索7敲s鬼。意BRB慈弹性刚度各K管0劲为婶140KN/罗m闸m抬，省ω被1伶△斑t盏、迈有ω陡2杯△组t落(盆ω邮为结构圆频疑率撑)端分别集为猾0.09恼2证、纺0.02非3脱，二者均小见于太2原，所以应用中鞋央差分法是稳圾定的。信图稳8(a搭)耍为试件在地震彻作用下子结构累拟动力试验的档滞洄曲线，滞孟洄圈较为饱满送，轴向拉压差竹很小，试件最否终没有破坏。督图生8(b羊)逝给出了试件踢前孙3.遭5膨秒底层的水平通位移、计算得厦到的无控体系变的底层水平位拨移，从图中可缸以看到，试验水结果的正向和爽负向最大位移洒分别为藏9.88mm牙和属-7.48m缓m与。无控结构的贤最大位移为瓦22.19m搁m乞，显然有控结狭构的位移反应打明显小于无控冲结构的位移反新应，最大位移戴降低错了予55.散5身％尼图树8(a)知试验得到的滞拍回曲线偿监衫(b)局试验及无控体浙系的位移时程超F哪ig.8(a撑)Reco配rdedf绍orce-d娇isplac督ement但(b歌)Disp纱laceme斥nttim谁ehist某oryof欺struc赢ture简化计算模型英下面分别应用蓝三种方法建距立厚BR锦B膨的简化计算模鸽型，通进过浆ANSY虾S抽软件结对侦BRB达s廉结构进行非线炊性时程分析，鸽并与试验结果埋进行对比，确驻定可以模腊拟单BR钱B坦的最合理的双械线性模型。慢简化模遭型妻1贡：竟直接利用静力分试验曲彻线完(纤见正图贯9枕(a)货)史确定初始刚度窄K泽0耍为尿140kN/叹m助m需，屈服力帅为定300k碧N贺，第二织刚度系数懒为摘5.8饶1邀％。妹图巨9(b朽)迎显示威了穗ANSY阻S哭分析得到的和额试验得到的碍前劫3.5sBR裳B狗的滞回曲线，赛它们的恢复力昂最大值有较明歉显的差别。踪图斯9(c父)匀为房ANSY验S病分析与试验得熟到的笼前育3.5谨s浙底层楼层水平傍位移时程，从眼图中可以看到境，牲ANSY坛S毙分析与试验得上到的底层水平敞位移比较相近卵。质图拦9(a酱)列模谈型敬1(b缴)于应用模玩型养1革进行径ANSY美S掌分析百及试验得到的恢滞回曲城线吧(c钳)慌底层水平位移城时程快F腾ig.8(穿a)霞model靠1摸(b)Hy宋steret炼iccur暗vefro艺m月品ANSYS沾softwa蚂rewit邪hmode俭l1an绞dtest画桶(精c)兼horizo壳ntal搂displ咏acemen桌tof1暂thsto滤ry老简化采模惑型厉2育：折确定初始刚度重K畏0最仍帮为糊140kN/挖m薯m晚，以博K敏0度为斜率作一直处线，如愿图专10(a驼)化所示，与静力绒试验得到易的滞回圈（位伍移振幅为览8.04mm忠）的交滴点挨(缠2.34mm必，佣328kN胳)祥作为屈服点，败把屈服点与滞瘦回圈幅值连线锯作为屈服后刚储度，第二刚度敌系数曾为乏6.1叨1践％，从而确定刃等效平行四边奶形。倍图灵2恐对比帝了名ANSY艺S傻分析与试验的长滞回曲线，阻阔尼器恢复力最蓝大值、位移最钞大值、滞回曲责线形状与试验谁值较接近，显腾然比模久型乏1宪模拟得更好。绝在位移时程曲原线中，最大位胡移比模归型扑1含更接近试验值忘。悦图血10(a后)迟模怨型誓2(b专)涂应用模屠型树2谜进行砖ANSY普S扮分析桥及试验得到的虑滞回曲母线葱(c敬)防底层水平位移许时程禽F毛ig.9(a篮)坏model藏2此(b)Hy卸steret米iccur动vefro闸m拐此ANSYS馋softwa呈rewit需hmode壮l2an捉dtest另节(尘c)拾horizo闪ntal召displ陶acemen补tof1闯thsto救ry华简化售模往型挡3缸：忌把实验曲线等虚效为双线性模输型，等效原则盟为平行四边形丈面积与滞回环为（静力试验中础位移振幅为旬8.04mm蛋的滞回环）面歉积相等，即二建者耗能面积相须等。等效四边凝形的一对平行加边的斜率采用周初始刚度扇K舍0拌(苏见幻图挽11(a))还，以滞回环幅全值点作为平行抄四边形的角点膀，在初始刚度泻线上确定等效闸屈服点为（焦2.17mm赛，证304k还N哲），滞回环幅睬值点与屈服点梅相连形成屈服染后刚度，第二犹刚度系数沸为羽8.8萍0尤％。铃图采1性1反为用此模型进航行府ANSY址S悄分析与试验滞剩回曲线的对比梁，从枯图墨11(a震)环可以看出，模羊型惰3嘴与模冷型轧2救的双线性模型史有些相似。但防模架型伞3糕在今BR溜B讽滞回曲线的最搜大位移处比模防型泼2愤更接近试验闷值问(的见婶图轧11(b)毕)复，在底层位移下时程对比它中哪(己见竿图砍11(c)抢)俯也可看出模搁型傻3妖的最大位移更削接近试验值。郑利用三种模型瞎模旷拟尘BR苦B穿对阻尼减振结顽构进钟行遥ANSY唤S骑分析，我们把撞底层水平位移算正向、负向最售大值还（泽U末X泽）闹，誓BR越B什恢复力正向、航负向最大值诚（却BRB轧f搅）锡，储BR巩B凤位移正向、负疾向最大值利（父BRB钓d档）与试验值进引行比较，见凡表午3负所示。从表中塘可以看出，模底型鹊3孝的正钱向填U倍X四与试验值最接漆近；模残型欧2计的正向恢复力浅与试验值最接垄近；模芽型趋3浓的底层正向位陆移与试验值最朱接近。综上所垂述，利用耗能第面积相等确定隶的模辞型深3番最合理。三种知模型得到的负蛙向最大值都没祖有很接近试验锈值，主要是内多芯受压时钢管蜂侧向约束产生泥摩擦力使得压皆力增大，而采销用的三种双线兵性模型均假设翻正向负向屈服锐强度相同。益图奔11(a益)播模途型握3(b撕)胶应用模集型殊3守进行爱ANSY袄S武分析户及试验得到的烘滞回曲壳线下(c趋)们底层水平位移充时程勤F左ig.10个(a)埋model拐3所(b)Hy泄steret闭iccur替vefro裤m沿桨ANSYS艇softwa校rewit唐hmode剧l3an杂dtest由淡(苏c)环horizo苗ntal求displ革acemen蛾tof1纱thsto寺ry造表眠3孙眯应用三种模型喜算得的反应与射试验值的对比也Table语3Comp蛛arison只ofre添sponse规susin糟gthre娇emode腰lsand椅that允fromt谜est费UX(mm)国BRBf(N鹿)闭BRBd(m馅m)画试验值英-6.79舱11.9工8燃-39131持039悠9598倘-4.71届8.82榴模型戒1油-7.47叮12.9裕1讯-34482匪037咽7420府-5.51熟9.52绍模灾型朵2共-7.40不11.5岗1在-37469增340帆0639块-5.46宏8.49策模型罗3艳-7.48禁11.9央0父-37215查841瓶2218抛-5.52腊8.774结语歪本文分别萍用星ANSY华S挎结构分析软件妨和试验研究糟了粒BR旱B华的滞回性能、锯动力性能，并头确扮定迈BR圾B介的简化计算模庄型，主要得到蝇以下结论：毛BRB美在受拉、受压简状态下都能屈予服，滞回循环损较为饱满，具催有很好的耗能化特性。恶BR顶B挎显著地降低了挪结构的地震反鼓应，提高了结鼓构的抗震能力混。请利用三种方法坐建肾立寇BR扰B伐的简化模型，愿其中盘利用耗能面积经相等吧建贩立庙BR叫B音的双线性模型究最合理。用此禁模型进拾行悟ANSY隆S息分析得到的最风大位移和恢复裤力均与试验值蛮很接近。发ANSY桥S暑分析得到的底拍层楼层的饺水平位移与挪试验值吻合得做较好，最大值仔吻合得很好。钞这说明胳ANSYS促分析和等BRB粮恢复力模型的生选择及参数确娇定基本上是合惹理的。侍参考文献秩：蒜量架湖那杨蔡益燕怖.宋阪神地震后日唤本钢结构的发芽展尼[J]式.鲁中国建筑金属袭结构鱼,钱2005不,着(任8旷):红22-23.范郭彦林善,块刘建彬拿,束蔡益燕窗,拢邓科颗.吵速结构的耗能减楼震与防屈曲支羽撑悲[J]塘.交结建筑结构绸,渣真2005价,35顿(脚8闲):18-遍23托.静谢洽强姑,战邀赵择鸣朗.仇葬屈