弯曲耗能拉索支撑抗震性能的数值模拟与设计方法

《Structures》：Numerical simulation and design method on seismic performance of the bending energy dissipation-cable brace

　　

摘要

普通支撑在弹性屈曲后进入完全塑性状态，使其无法进一步抵抗地震力。此外，传统受压支撑震后修复和加固困难。传统交叉钢缆支撑系统仅在地震期间启用一根受拉对角线，其滞回耗能能力较差。为解决这些局限性，本研究提出了一种新型抗侧力系统：弯曲耗能钢缆支撑（BED-CB）。使用有限元分析（FEA）软件 Abaqus，对三个 BED-CB 试件进行了数值建模，并分析了其荷载 - 变形响应、应力分布和滞回行为。通过将模拟结果与实验结果进行比较验证了数值模型。随后，进行参数研究以调查耗能板厚度、宽厚比、长细比和材料屈服强度对系统性能的影响。参数结果显示，将耗能板厚度从 10?mm 增加到 40?mm 使初始刚度和极限承载力分别增加了 163.5% 和 217.3%。相比之下，将宽厚比从 6.66 增加到 20.00 仅使它们分别增加了 13.5% 和 31.6%，而将钢材强度从 170?MPa 增加到 360?MPa 使极限承载力提高了约 18%。结果表明，增加耗能板的厚度可以增强 BED-CB 的侧向刚度和极限强度，但过厚的厚度可能会延迟屈服和稳定耗能，而宽厚比、长细比和钢材强度表现出可忽略的影响。最后，基于双线性力学模型，提出了滞回性能的理论力学模型，并建立了 BED-CB 系统的初步设计指南。

引言

钢丝绳具有轻质高强以及在弹性范围内力学行为稳定的优点 [1]。松弛钢缆可以在不增加结构初始刚度的情况下延迟框架结构的倒塌 [2]，[3]，[4]。传统钢缆支撑的特征在于其仅受拉行为。因此，朝向一个方向的钢缆保持松弛，不能有助于抵抗侧向荷载，导致耗能能力有限 [5]。因此，许多研究人员将仅受拉支撑与耗能装置相结合，以开发协同抵抗地震作用的系统 [6]，[7]。几项研究调查了仅受拉支撑与摩擦耗能装置（如 Pall 型摩擦阻尼器 [8]，[9] 和 Mualla 仅受拉支撑 - 旋转摩擦耗能系统 [10]）的结合。然而，摩擦耗能装置的内部结构相对复杂，使得在耗散过程中难以定量识别和控制耗能机制。

相比之下，基于金属塑性变形的耗能机制具有损伤可视化的优点，因此具有相当大的研究潜力。Kelly [11] 首次将钢缆与金属屈服耗能装置相结合。随后，不同的研究人员开发了各种系统，包括 Renzi 屈服耗能装置 [12]、带方形钢板的钢缆支撑系统 [13]，[14]、带摩擦装置的自复位钢缆支撑 [15]、带弹簧的钢缆支撑系统 [16] 以及用于 RC 框架的位移约束钢缆支撑技术 [17]。尽管如此，这些系统仍存在几个局限性，包括材料利用效率低、整体耗能能力相对较弱以及钢缆支撑系统与钢框架之间的协同工作机制研究不足。

本研究提出的弯曲耗能钢缆支撑，称为 BED-CB，创新地利用钢板的弯曲屈服耗能与钢丝绳的拉伸作用相结合。与半刚性钢框架一起，它形成了侧向荷载抵抗系统。在抗震性能的初步实验研究中，BED-CB 系统表现出良好的耗能能力和稳定的工作行为 [18]。为了进一步验证实验结果的合理性，调查关键参数的影响，并评估 BED-CB 的性能指标，需要能够准确预测其力学行为的数值模型。已经对钢缆支撑的数值模拟进行了相当多的研究。在单元选择方面，采用 joint2d 单元来模拟梁柱连接、剪切面板行为和粘结 - 滑移效应 [19]。Marziyeh G [20] 在 OpenSees 中开发了二维非线性有限元模型，以研究带松弛钢缆支撑系统的钢框架。在他们的模型中，钢缆支撑由 Truss Elements 结合弹性 - 理想塑性 Gap 单轴材料来模拟，其中压缩刚度和压缩强度设置为零以代表钢缆的仅受拉行为。[20]。Abaqus 中钢缆 - 圆柱支撑系统的数值模拟与实验结果吻合良好 [21]，[22]，[23]。在本研究中，采用了 Abaqus。

为了支持 BED-CB 的设计方法，需要理论力学模型。在循环荷载下，含有弹塑性构件或干摩擦组件的结构会产生滞回力 - 位移或应力 - 应变响应 [24]，使得滞回建模对于评估新支撑的抗震性能和破坏模式至关重要。现有的滞回模型通常分为分段线性或曲线型：Den Hartog [25]，[26] 建立了干摩擦模型；Iwan [27] 开发了双线性模型，随后是针对钢材的对称 Caughy 双线性模型 [28] 和 Neilsen 退化双线性模型 [29]；Ramberg-Osgood 模型 [30] 和由 Bouc [31] 提出并由 Wen 等人 [32] 完善的 Bouc-Wen 模型提供了非线性滞回的曲线描述。关于耗能抗震阻尼构件的设计方法。Pu 和 He 提出了一种基于位移的框架，适用于配备滞回和粘性阻尼器的钢结构，其中阻尼器能力由目标层间位移角和等效刚度确定，以提高层间位移均匀性 [33]。对于粘弹性阻尼器，Hao 等人开发了一种多性能设计方法，将阻尼器刚度和阻尼系数与抗震能力冗余、变形能力和耗能联系起来，为初步加固设计提供闭合形式指导 [34]。最近，Hao 等人提出了一种直接、非迭代的 VED 设计方法，旨在均匀分布层间位移角，同时考虑高阶模态效应和地面运动特征 [35] 考虑到钢丝绳是 BED-CB 的主要组件且塑性有限，采用双线性模型来表示其力学行为，参数数量较少。

在本文中，基于准静态试验结果对 BED-CB 系统进行数值模拟，以验证数值模型的准确性。随后进行参数分析，以调查不同参数对系统刚度、承载力和耗能能力的影响。此外，基于双线性滞回模型进行理论分析，以建立 BED-CB 系统的滞回力学模型并提供相应的设计建议。

章节摘要

试验过程

本试验设计了三个框架试验，即纯半刚性框架（试件 B?0）、带 15?mm 厚耗能钢缆支撑的半刚性框架（试件 B?15）、带 30?mm 厚耗能钢缆支撑的半刚性框架（试件 B?30）。带耗能钢缆支撑的半刚性框架设计如图 1 所示。本试验采用准静态加载试验方法。在试件屈服前，施加位移控制加载，以一个

模型建立

基于实验结果，对 BED-CB 系统进行了数值研究。采用有限元软件 Abaqus 开发 BED-CB 系统和半刚性钢框架的数值模型，用于抗震性能评估和参数研究。建模细节，包括单元选择、材料属性、边界条件和加载方案，在以下各节中描述。数值结果与实验结果进行了比较

有限元分析及验证

在本研究中，对三个试件进行了数值模拟分析，层间位移角加载至 1/26。从变形模式、关键部件的应力发展以及滞回曲线方面进行了详细的对比分析。三个试件的有限元模型如图 9 所示。

参数分析

基于图 17 所示的自由体图，进一步讨论了 BED-CB 系统的侧向荷载传递机制。在侧向荷载作用下，半刚性钢框架首先发生层间位移，从而在连接到框架的钢丝绳中引起轴向拉力。随后，钢板受到钢丝绳的拉力并产生弯曲变形。当变形增加时，钢板逐渐发生弯曲屈服并耗散地震能量

设计方法

为了总结新型钢缆支撑的应用和设计规则，并为未来的实际应用提供充分的理论基础，推导了刚度和承载力的理论公式，然后将理论分析结果与数值模拟结果进行比较以验证准确性。

结论

在本研究中，通过数值模拟分析揭示了 BED-CB 作为新型抗侧力构件的抗震性能，主要研究内容和结果如下：

• (1)
  Abaqus 有限元模型准确捕捉了 BED-CB 系统的循环行为。试件 B?0、B?15 和 B?30 的数值和实验结果吻合良好，误差在 10% 以内。
• (2)
  在所有考虑的参数中，

CRediT 作者贡献声明

江津：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、方法论、数据整理。黄俊杰：可视化、调查、正式分析、数据整理。鲍伟：写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。梁战华：调查、正式分析。林兆鑫：正式分析、数据整理。方焦鹏：调查、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

题为 弯曲耗能钢缆支撑抗震性能的数值模拟与设计方法 的本文作者获得了广东省自然科学基金 (No.2023A1515010920 和 No.2023A1515012502)、定海区科技项目 (2024C31008) 以及浙江海洋大学人才科研基金的研究经费。文中表达的任何观点、发现和结论均纯属

致谢

本研究获得了 广东省自然科学基金 (资助号：2023A1515010920) 的资助。

鲍伟 |黄俊杰 |江津 |方焦鹏 |林兆鑫 |梁战华

中国广州 510006，广州大学土木工程学院