《Buildings》：Research on Design Methodology and Finite Element Analysis of Inner Cores for Multi-Level Energy Dissipation and Self-Centering BRBs—Part II: Self-Centering Circular Frustum Device
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摘要：本文提出一种用于防屈曲支撑(Buckling-Restrained Brace, BRB)的创新内芯——铝-工程水泥基复合材料-圆台复合(ALECCYT, Aluminum-Engineered Cementitious Composite-Circul
摘要：本文提出一种用于防屈曲支撑(Buckling-Restrained Brace, BRB)的创新内芯——铝-工程水泥基复合材料-圆台复合(ALECCYT, Aluminum-Engineered Cementitious Composite-Circular Frustum Composite)内芯，其具备多级耗能机制与自复位(Self-Centering, SC)功能。研究人员推导了自复位圆台(YT, Yuan Tai/Circular Frustum)装置初始刚度计算公式，提出了以实现预设失效模式为目标的各关键部件尺寸设计方法。基于此，设计并有限元模拟分析了7个不同吨位、符合及不符合设计方法的YT装置试件。结果表明，合理设计的YT装置滞回曲线呈旗帜形(flag-like shape)，卸载后残余位移极小，具备有效的滞回耗能能力与稳健的自复位能力，且符合预期失效模式。反之，未满足屈曲约束的试件在加载过程中发生形状记忆合金(SMA)杆屈曲、钢环屈曲及碳纤维增强聚合物(CFRP)环屈曲等失效，导致材料强度未能有效发挥。有限元分析结果初步验证了所提设计方法的有效性。
论文解读：多级耗能自复位防屈曲支撑内芯中自复位圆台(YT)装置的设计理论与有限元验证
一、研究背景与意义
传统防屈曲支撑(Bucking-Restrained Brace, BRB)在大震后会产生不可恢复的残余变形，影响结构震后修复与韧性。现有自复位防屈曲支撑(SC-BRB)内芯多采用平板、十字形或H形截面，以高屈服点钢材为主，难以在小震下及时启动耗能，且缺乏多级耗能机制与高效复位构造。针对此，研究人员提出了一种结合铝合金（小震耗能）、工程水泥基复合材料(ECC，中震应变硬化耗能)与形状记忆合金(SMA)圆台装置（大震自复位）的铝-ECC-自复位圆台复合(ALECCYT, Aluminum-Engineered Cementitious Composite-Circular Frustum Composite)内芯。本文（Part II）聚焦于其中的自复位圆台(YT, Circular Frustum)装置的理论设计、尺寸方法及有限元验证，成果可为新型BRB研发及后续试验提供参考。论文发表于《Buildings》。
二、主要关键技术方法
研究人员首先基于力学假定（SMA线弹性/理想超弹、平截面、无滑移粘结、轴对称）建立YT装置受压与受拉时的力平衡与变形协调关系，推导初始刚度公式；以"SMA达极限强度而钢环、CFRP环不屈服不屈曲"为预设失效模式，引入欧拉压杆屈曲公式及环受均布荷载荷曲临界荷载公式建立不等式约束方程组，形成尺寸设计流程。采用ABAQUS建立YT装置三维梁单元(B31)模型，SMA采用Auricchio and Sacco多线性简化本构并验证，钢与CFRP采用经典弹塑性模型并验证，部件间用Tie约束模拟协同工作；对符合及刻意违反设计约束（SMA径过细、钢环/CFRP环径过小）的多组试件施加低周往复位移加载（l/800至l/80，l=5m），分析应力、变形及滞回性能。
三、研究结果
3.1 Deformation Patterns and Stress States（变形形态与应力状态）
对符合设计的YT-1~YT-3在1.25%压应变下及YT-7（30吨级）在6%应变至失效时的模拟显示：SMA杆、钢环、CFRP环均无屈曲；SMA应力达马氏体相变起始应力或最终达极限强度，钢环应力低于屈服强度，CFRP环应力低于极限强度，符合预设失效模式。而违反设计的YT-4（SMA长细比过大）、YT-5（钢环截面不足）、YT-6（CFRP环截面不足）分别因SMA杆屈曲、钢环屈曲、CFRP环屈曲而提前失效，SMA未充分发挥强度。
3.2 Hysteretic Performance Analysis（滞回性能分析）
符合设计的YT-1~YT-3及YT-7滞回曲线呈典型旗帜形(flag-like shape)，卸载残余位移基本恢复，滞回环饱满对称，无显著强度与刚度退化，累积延性系数>200（满足ANSI/AISC-22）。随吨位增大承载力提高，适当增加SMA杆数量（减小单杆直径）有助于降低受压屈曲风险。违背设计准则的YT-4~YT-6出现明显强度与刚度退化，SMA超弹耗能未激活，残余位移比显著增大。
3.3 Analysis of Hysteretic Performance Indicators（滞回性能指标分析）
理论等效刚度与有限元计算值误差<3%，拉压不平衡系数β<1.3，满足规范要求。等效黏滞阻尼比最大值为7.35%~8.13%。合理设计试件残余位移比始终<1.5%，峰值荷载退化率<3%，割线刚度退化率约4%~5%，优于传统BRB。
四、讨论与结论总结
讨论指出实际制造中间隙会影响滞回平滑性及自复位效率；NiTi SMA与CFRP虽初期成本高但全生命周期费用因可恢复性具优势；多组件精密配合需分阶段预制与数控加工；大吨位(>1000t)需调整参数且建议设计为可更换部件。
结论如下：
(1) 推导了自复位圆台(YT)装置初始刚度计算公式，提出了基于预设失效模式的YT装置各部件尺寸设计方法，并经数值验证。
(2) 建立了YT装置有限元模型，小位移(1.25%应变)下符合设计要求的试件无部件屈曲，滞回呈旗帜形，自复位与耗能良好，承载力达标。
(3) 大位移(6%应变)下合理设计试件仍无屈曲，SMA杆率先达极限强度（符合预设失效模式），滞回呈旗帜形；不符合设计方法（不满足屈曲约束）的试件分别发生SMA、钢环、CFRP环屈曲，滞回严重退化，材料强度未充分利用。
(4) 按本文方法设计的YT装置理论与有限元等效弹性刚度吻合良好，拉压不平衡系数满足规范，具优良耗能及自复位特性，体现旗帜形自复位BRB耗能-复位合理平衡；制造缺陷影响、试验验证、施工工艺及全生命周期经济性需进一步研究。
