新型FRP-钢组合内芯防屈曲耗能支撑性能研究

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防屈曲耗能支撑(BRB)是高层建筑耗能减震的常用构件,全钢型BRB由于其制作简单、组装方便,目前应用非常广泛,其中一字型截面是最常用的截面形式之一。但试验研究表明,一字型截面形式的全钢型BRB目前还存在以下问题:承载性能不足,特别是外约束刚度较小时,内芯易发生多波整体屈曲,导致受压性能较差;耗能性能不足,内芯截面在拉压过程中易形成薄弱点,内芯端部区域易过早发生低周疲劳破坏,进而影响其耗能性能。为弥补上述不足,作者首次提出了采用碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢组合板作为内芯的新型BRB, CFRP-钢组合板是由钢板和粘贴于其表面的CFRP布组成。本文对新型CFRP-钢组合内芯BRB进行了性能研究。首先对新型CFRP-钢组合内芯BRB进行了拟静力滞回性能试验研究。试验分为两组,分别为外约束刚度较强的组装式防屈曲耗能支撑(ABRB)和外约束刚度较弱的钢管式防屈曲耗能支撑(SBRB),每种构件均设计了相应的普通全钢型BRB作为对比构件。根据试验结果,分别对两种不同形式的BRB从破坏模式、滞回性能、承载力性能、塑性变形性能和刚度等方面进行了比较分析。试验分析结果表明,对于外约束刚度较强的ABRB,采用CFRP-钢组合板作为内芯能够使其屈曲变形沿纵向分布更均匀,截面受力也更均匀,对于其滞回耗能性能、承载力性能、塑性变形性能及刚度等方面均有较高的提升,并且这些性能的提升主要集中在内芯进入塑性变形阶段,而CFRP布未完全剥离或被拉断;对于外约束刚度较弱的SBRB,采用CFRP-钢组合板作为内芯也能够对其滞回性能、承载力性能、塑性变形性能及刚度有一定程度的提升,但不能解决钢管式BRB的本质缺陷问题。其次利用通用有限元软件ABAQUS建立了两种新型CFRP-钢组合内芯BRB及对应的全钢型BRB的有限元模型。对内聚力单元做了详细的介绍,建立了钢板-胶层-CFRP布的有限元模型,并对有可能影响有限元数值模拟结果的各种因素进行了讨论。将有限元数值模拟得到的构件试验过程和实际试验现象、滞回曲线进行对比分析,发现本文建立的有限元模型对两个ABRB构件以及普通钢板内芯的SBRB-1构件的试验过程和滞回性能模拟吻合较好,证明了本文建立的有限元模型具有良好的可靠性和适用性,可以作为参数化研究新型CFRP-钢组合内芯BRB性能的有力辅助手段。
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