第3期 王树和等：新型三重钢管防屈曲耗能支撑的力学性能 ·409· 表1新型三重钢管防屈曲耗能支撑模型参数 Table 1 Parameters of new triple-steel tube buckling-restrained brace models 核心管/mm 外套管/mm 内套管/mm 连接段/mm 间隙/ 强度比， 模型 内径壁厚材质长度内径壁厚材质长度内径壁厚材质长度内径壁厚材质长度 mm A 20 2Q235460 232 Q34546017 2Q235460 202.0Q235 80 1.00 B20 202354602320345460172 Q235460202.0Q34580 1 1.47 20 20235460 23 2Q345460 17 2Q235460 20 2.0Q42080 1 1.79 D 20 2Q235460232Q345460 17 2 Q235460 203.5Q34580 1 2.74 3.2数值模型的建立 密（如图6和图7）. 防屈曲支撑的内芯在轴向压力下发生屈服的同 时与外套管接触，这样在有限元分析过程中就会出 图6防屈曲支撑整体有限元模型 现材料的非线性和接触的非线性问题.本文使用非 Fig.6 Finite element model of the overall BRB 线性计算功能非常强大的ABAQUS软件进行分析. 在ABAQUS中通过Interaction模块实现接触，定义 接触的方式有通用接触、面一面接触、点一面接触、自 接触等.本模型因为涉及不同材料大面积的接触， 所以选用面一面接触.核心钢管和约束钢管之间设 有接触对，接触对由主面和从面构成.鉴于各部分 的受力情况，本文选择外套管内壁及内套管外壁为 主面，核心屈服钢管的内外表面为从面.对于接触 关系的计算，由于拉格朗日乘子法的约束方程失去 图7支撑截面有限元模型 了正定性，给大型方程组的求解带来了困难，本模型 Fig.7 Finite element model of the brace section 采用罚函数的方法求解接触问题 模拟过程中采用Mises应力屈服准则对构件进 本文采用低周反复加载原则，通过控制位移法 行分析，材料本构关系采用双线性随动强化模型 加载，从耗能支撑两端施加对称载荷.加载幅值采 (Kinematic).如图5.单元类型为八节点六面体线性 用变幅等幅混合加载法进行控制，加载历程中支撑 减缩积分单元(C3D8R),该单元可以减少完全积分 压缩长度为±10、±20和±30mm,分别占支撑总长 单元导致的单元过于刚硬和计算挠度偏小的问题， 度1/64、132和3/64，加载位移-时间曲线如图8 避免了剪切闭锁问题的发生，适合弹塑性接触分析 所示 钢材的弹性模量取2.06×10MPa,波松比取0.3. 20 2%E -20%153045607590105120135 时间/s 图8加载位移-时间曲线 Fig.8 Loading displacement-time curve 图5双线性模型本构关系 3.3计算结果与分析 Fig.5 Constitutive relation of the bilinear model 3.3.1强度比对连接段应力状态的影响 对于三重钢管防屈曲支撑模型本身来说，最大 模型A连接段管壁厚2mm,材质为Q235,连接 应力主要集中在核心钢管，其次是内外套管，连接段 段一侧由于变形过大而发生颈缩，造成了承载力的 应力分布对整体支撑作用显著，为了较为精确的研 下降，对该支撑继续循环位移加载，最终造成连接段 究连接段的应力应变关系，对该部分进行了网格加 失稳，如图9所示，从而使得整个支撑失效.第 3 期 王树和等: 新型三重钢管防屈曲耗能支撑的力学性能 表 1 新型三重钢管防屈曲耗能支撑模型参数 Table 1 Parameters of new triple-steel tube buckling-restrained brace models 模型 核心管/mm 外套管/mm 内套管/mm 连接段/mm 内径 壁厚 材质 长度 内径 壁厚 材质 长度 内径 壁厚 材质 长度 内径 壁厚 材质 长度 间隙/ mm 强度比， λ A 20 2 Q235 460 23 2 Q345 460 17 2 Q235 460 20 2. 0 Q235 80 1 1. 00 B 20 2 Q235 460 23 2 Q345 460 17 2 Q235 460 20 2. 0 Q345 80 1 1. 47 C 20 2 Q235 460 23 2 Q345 460 17 2 Q235 460 20 2. 0 Q420 80 1 1. 79 D 20 2 Q235 460 23 2 Q345 460 17 2 Q235 460 20 3. 5 Q345 80 1 2. 74 3. 2 数值模型的建立 防屈曲支撑的内芯在轴向压力下发生屈服的同 时与外套管接触，这样在有限元分析过程中就会出 现材料的非线性和接触的非线性问题． 本文使用非 线性计算功能非常强大的 ABAQUS 软件进行分析． 在 ABAQUS 中通过 Interaction 模块实现接触，定义 接触的方式有通用接触、面--面接触、点--面接触、自 接触等． 本模型因为涉及不同材料大面积的接触， 所以选用面--面接触． 核心钢管和约束钢管之间设 有接触对，接触对由主面和从面构成． 鉴于各部分 的受力情况，本文选择外套管内壁及内套管外壁为 主面，核心屈服钢管的内外表面为从面． 对于接触 关系的计算，由于拉格朗日乘子法的约束方程失去 了正定性，给大型方程组的求解带来了困难，本模型 采用罚函数的方法求解接触问题． 模拟过程中采用 Mises 应力屈服准则对构件进 行分析，材料本构关系采用双线性随动强化模型 ( Kinematic) 如图 5． 单元类型为八节点六面体线性 减缩积分单元( C3D8Ｒ) ，该单元可以减少完全积分 单元导致的单元过于刚硬和计算挠度偏小的问题， 避免了剪切闭锁问题的发生，适合弹塑性接触分析． 钢材的弹性模量取 2. 06 × 105 MPa，波松比取 0. 3． 图 5 双线性模型本构关系 Fig． 5 Constitutive relation of the bilinear model 对于三重钢管防屈曲支撑模型本身来说，最大 应力主要集中在核心钢管，其次是内外套管，连接段 应力分布对整体支撑作用显著，为了较为精确的研 究连接段的应力应变关系，对该部分进行了网格加 密( 如图 6 和图 7) ． 图 6 防屈曲支撑整体有限元模型 Fig． 6 Finite element model of the overall BＲB 图 7 支撑截面有限元模型 Fig． 7 Finite element model of the brace section 本文采用低周反复加载原则，通过控制位移法 加载，从耗能支撑两端施加对称载荷． 加载幅值采 用变幅等幅混合加载法进行控制，加载历程中支撑 压缩长度为 ± 10、± 20 和 ± 30 mm，分别占支撑总长 度 1 /64、1 /32 和 3 /64，加载位移--时间曲线如图 8 所示． 图 8 加载位移--时间曲线 Fig． 8 Loading displacement-time curve 3. 3 计算结果与分析 3. 3. 1 强度比对连接段应力状态的影响 模型 A 连接段管壁厚 2 mm，材质为 Q235，连接 段一侧由于变形过大而发生颈缩，造成了承载力的 下降，对该支撑继续循环位移加载，最终造成连接段 失稳，如图 9 所示，从而使得整个支撑失效． · 904 ·