考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型_王雪飞.pdf

收稿日期：。基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省地质局青年科学技术带头人培养计划项目（）；江西省自然科学基金项目（）。作者简介：王雪飞（），男，正高级工程师。通信作者：胡淑军（），男，副教授，博士。：。王雪飞，张波，钟瑾，等考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型南昌大学学报（理科版），（）：，（），（）：考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型王雪飞，张波，钟瑾，曾思智，胡淑军（赣州建工集团有限公司，江西 赣州 ；江西中煤建设集团有限公司，江西 南昌 ；南昌大学工程建设学院，江西 南昌 ）摘要：未设形状记忆合金（）的滑移支撑是自复位 支撑的重要组成部分，需明确其力学性能，从而为自复位 支撑的分析与设计提供理论基础。滑移支撑主要由四块钢板、两个滑移螺栓、两个固定螺栓、丁基橡胶垫片和普通垫片组成。对个考虑螺栓扭矩的滑移支撑进行试验研究，并采用校正的有限元法分析个考虑不同类型垫片摩擦系数的模型，得到相应的滞回性能和耗能能力。结合试验和有限元研究结果，分析不同位移下滑移支撑摩擦面的变化规律，并总结了各阶段支撑的摩擦面数目，以明确滑移支撑的力学模型。关键词：滑移支撑；摩擦面；力学性能；滞回性能；耗能能力中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：（）（），：（）；地震作用下，钢框架结构中设置自复位支撑可有效提高其抗震性能和减小其残余变形，符合可恢复功能结构抗震设防目标。形状记忆合金（）在轴力、弯矩及扭矩作用下均表现良好的超第 卷第期 年月南昌大学学报（理科版）（）DOI:10.13764/ki.ncdl.2023.01.009弹性及记忆功能，变形可达，且卸载后无明显残余变形。超弹性 可用于自复位支撑中，使其同时具有耗能能力和复位能力，有效减小支撑的残余变形。例如，等研制基于 分段受拉原理的 自复位阻尼器；等提出一种基于 和摩擦的耗能装置 ；任文杰等提出形状记忆合金摩擦复合阻尼器；张艳霞等提出软钢高阶屈曲耗能的自复位支撑；李宏男等 提出 一 种 自 复 位 剪 切 型 铅 阻 尼 器；等 设计一种拉、压作用下 都受拉的自复位支撑。以上自复位支撑多结合长圆孔的合理布置和高强螺栓的摩擦滑移，使得 在支撑受拉和受拉作用下能始终受拉，有效发挥 的超弹性性能。扩孔型螺栓连接的抗滑移承载力是影响滑移支撑力学性能的关键因素之一，且主要受摩擦系数、摩擦面数目、螺栓数目、螺栓预拉力等参数的影响。等 对扩孔型螺栓连接采用钢、铜、铝、橡胶垫片等进行研究，评价了不同摩擦系数的影响；赵俊贤等 对采用丁基橡胶垫片的滑移连接进行研究，其摩擦系数仅为 ，可在受载方向实现超低摩擦。另外，郭小农等 考虑高强螺栓预拉力对连接力学性能的影响，明确了预拉力与相应承载力的关系。笔者结合 的自复位性能和扩孔型螺栓连接超低摩擦滑移等思想，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的自复位 支撑，且受载时高强螺栓的摩擦滑移对其力学性能影响明显。本文基于上述自复位 支撑中的主要组成部件滑移支撑，设计个仅考虑螺栓预拉力的试验模型，并进行往复加载试验研究。采用与试验结果对比验证的有限元法，分析不同类型垫片摩擦系数对滑移支撑承载力的影响。基于以上结果，全面分析不同位移下滑移支撑的摩擦面变化规律，并建立滑移支撑的力学模型，预期可为自复位 支撑的抗震性能提供理论基础。滑移支撑的设计概况图 是新型自复位 支撑，图 是未设 的滑移支撑。其中，自复位 支撑主要包括滑移支撑和 丝材。滑移支撑主要包括：侧板、侧板、滑移端板、固定端板、滑移螺栓、固定螺栓、滑移垫片、固定垫片、丁基橡胶垫片。基于自复位 支撑中侧板、滑移板、长圆孔、丁基橡胶垫片和 丝材等构件的合理设置，可使得 在支撑受拉或受压时均处于受拉状态，由此为支撑提供耗能能力和复位能力。此时，滑移支撑作为自复位 支撑的重要组成部分，其滑移性能是影响其力学性能的关键因素之一。滑移支撑中，侧板和侧板、滑移端板左右两端相同位置处分别开设有相同尺寸的长圆孔和长圆孔。侧板、侧板、固定端板相同位置处开设相同直径的普通圆孔。安装时，首先在各板件长圆孔两侧设置丁基橡胶垫片，如图 所示。随后，在侧板、侧板、固定端板两侧分别设置固定垫片，并通过固定螺栓连接。在侧板、侧板、滑移端板之间设置滑移垫片，且将滑移螺栓分别设置在靠近相邻长圆孔端部，由此可得到相应的滑移支撑。加载前，需将固定端板夹住，保证固定端板不发生滑移；随后在滑移端板上施加轴力。初始受拉时，滑移端板带动左侧滑移螺栓移动，而侧板、侧板、右侧滑移螺栓不发生任何变形；随后卸载并反正受压时，滑移端板带动右侧滑移螺栓移动，但侧板、侧板、左侧滑移螺栓不发生任何变形。具体运动规律和板件间移动接触面详见以下研究。（）自复位 支撑（）不带 的滑移支撑（）丁基橡胶垫片与各板件粘接图不带 的滑移支撑图 滑移支撑的试验研究试验概况（）试验模型为研究滑移支撑的力学性能，设计个考虑滑移螺栓扭矩值影响的模型（模型模型），如表第期王雪飞等：考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型所示。各模型中板件间均设置丁基橡胶垫片，其摩擦系数为 。基于对各模型试验研究，可得到抗滑移承载力与螺栓预拉力的关系。表滑移支撑试件主要参数 （）试件序号试件编号扭矩值摩擦系数滑移螺栓数目 在滑移支撑试件制作时，滑移端板尺寸是 ，侧板、侧板尺寸均为 ，固定端板尺寸为 ；固定垫片直径为 ，厚；滑移垫片直径为，厚；丁基橡胶垫片尺寸为厚 ；长圆孔直径为，中间扩孔长度为 普通圆孔直径为，其他具体尺寸详见图。图滑移支撑的几何尺寸图（单位：）（：）（）试件材性在滑移支撑中，侧板、侧板厚度为，固定端板、滑移端板厚度为，均采用 钢材。分别对不同厚度钢板进行材性研究，可得到具体材性结果，如表所示。表钢板的力学参数 编号厚度屈服强度 抗拉强度 弹性模量 伸长率 （）边界条件及加载方式本次试验在南昌大学工程力学实验室进行。首先采用 电液伺服试验机将滑移支撑中的固定端板的端部夹住，同时采用夹头将滑移端板顶端固定，由此可对相应支撑施加轴向力。试验加载、卸载过程中，试验机通过上端夹头和传感器输出荷载与位移，加载方式如表所示。本次加载采用与自复位 支撑相同的加载速率 。由于侧板、侧板、固定端板已通过高强螺栓固定连接，加载位移与滑移端板位移相等，故加载时未设置位移计。表滑移支撑的加载方式 加载步位移加载步位移 滞回性能各试件的滞回曲线如图所示，均呈明显的矩形，且在第一、三象限轴力变化，第二、四象限轴力稳定。各加载步中，由于滑移支撑未设置，滑移螺栓没有复位至初始位移，并表现出明显的残余变形。另外，各试件在往复荷载的变形趋势基本一致，主要表现为：加载初期，各试件抗滑移承载力均较大，随后趋于稳定，分析可能主要由于丁基橡胶具有一定的黏滞作用，各接触面之间的静摩擦力大于滑动摩擦力；加载后期，轴力逐渐增大，这主要是由于在正向、反向往复加载过程中，由单个螺栓的滑动转变成两个螺栓的滑动，摩擦面也逐渐增多。结合图的滞回曲线和图的轴力与滑移螺栓扭矩值关系可知，当各试件进入稳定的摩擦滑移时，试件 、的抗滑移承载力基本呈线性，分别为、。因此，增大滑移螺栓扭矩值可明显提高滑移支撑的抗滑移承载力。图滑移支撑的滞回曲线 南昌大学学报（理科版）年扭矩值图轴力与滑移螺栓扭矩值关系图 耗能能力图所示为不同螺栓扭矩值下各加载步耗能值。随着位移的增大，各试件耗能值也逐渐增大，且相同位移下不同试件的耗能值呈线性增长，与其抗滑移承载力值变化趋势相同。另外，当各试件位移值增大至 时，试件 、的耗能值分别为 、，即增大螺杆扭矩值可有效提高滑移支撑的耗能值。图试件耗能能力 滑移支撑的有限元分析有限元分析方法采用 软件对滑移支撑进行有限元模拟分析，侧板、侧板、滑移端板、固定端板、滑移螺栓、固定螺栓、滑移垫片、固定垫片均采用 单元，如图所示。各模型尺寸与试验尺寸相同。有限 元 建 模 时，板 件 间 的 接 触 设 置 通 过 、单元考虑。在滑移垫片与侧板、侧 板、滑移 端板之间的摩擦 系数 均 设 置为 ，固定垫块与侧板、侧板、滑移端板之间摩擦系数均设为 ，由此考虑板件间摩擦力的影响。另外，采用多线性随动强化模型，以及 屈服准则。图试件耗能能力 图滑移支撑的有限元模型 在设置滑移支撑有限元模型的边界条件时，首先将固定端板远离滑移端板一侧的端部固定；其次，将侧板、侧板、滑移端板各侧面施加、方向的约束，仅使其能在 方向移动。另外，加载方式与试验研究相同。高强螺栓、滑移螺栓的屈服强度值、抗拉强度值、弹性模量、泊松比分别为 、；其他构件的材料性能与试验研究相同。模型校正选取滑移支撑试件 为研究对象，建立相应有限元模型。由于试验分析所得轴力约为，远小于板件的屈服荷载（等于），即在整个加载过程中试件不会发生任何屈服或损伤。因此，在有限元与试验结果对比校正时，仅对比分析两者的滞回曲线，如图所示。图试件 的试验及有限元滞回曲线 第期王雪飞等：考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型对比试验与有限元结果可知，两条曲线变化趋势基本相同，都呈明显的矩形。各加载步中荷载变化一致，且均有明显的残余变形。另外，有限元初始阶段受力较小，这主要由于试验中丁基橡胶垫片存在黏滞作用，需克服其静摩擦力才能滑移，而有限元分析中未考虑该作用。因此，该有限元法可对滑移支撑进行参数化分析。有限元参数化分析（）分析模型表中设计四个考虑摩擦系数的滑移支撑模型，扭矩值均为，螺栓数目和摩擦面分别为和，摩 擦 系 数 分 别 取 、和 。表有限元模型的主要参数 模型序号模型编号扭矩值摩擦系数螺栓数目 （）滞回性能采用校正的有限元法对各模型研究，可得到相应的滞回曲线，如图所示。各模型的变化曲线变化趋势相同，均为初始滑移，且轴力不变；在加载至一定位移后轴力增大，与考虑螺栓扭矩值的影响相同。、的抗滑移承载力分别为、，即抗滑移承载力与摩擦系数呈线性关系。图各有限元模型的滞回曲线 （）耗能能力各模型在不同位移下的耗能值如图所示。板件间摩擦系数的增大可有效提高支撑的耗能能力，且与位移呈线性比例。当位移达到预期的最大值 时，、的耗能值分别为 、。图各有限元模型的耗能能力 滑移支撑的力学模型研究滑移支撑的计算模型滑移支撑的抗滑移承载力主要受螺栓预拉力、摩擦系数、板件间摩擦面数目、滑移螺栓数目等因素影响，可表示为：（）式中，是摩擦面数；是滑移螺杆数；是螺杆预拉力；是摩擦系数。基于对滑移支撑的试验及有限元分析中考虑的螺栓预拉力、摩擦系数的影响可知，其承载能力与式（）中的计算模型结果基本一致，即滑移支撑抗滑移承载力随螺栓预拉力、摩擦系数的增大而增大。然而，从试验及有限元结果中发现，在加载后期，滑移支撑轴力会增大，相应接触面根据加载位移不断变化，具体变化规律及数目需详细研究。滑移支撑摩擦面的变化规律取模型 为研究对象，详细说明滑移支撑在整个受力过程中摩擦面的变化。加载时，位于侧板和侧板上的长圆孔固定，位于滑移端板上的长圆孔在轴力下滑移；且设置在长圆孔和长圆孔内的滑移螺栓初始位移均在靠近另一侧长圆孔的端部，如图 所示。其中，图中加载的位移正值为滑移板远离固定板的方向。在位移为的第二加载步中，前次加载结束时，左、右个滑移螺栓均已移动。结合图 中的滑移螺栓移动图和滞回曲线可知，滑移螺栓的相对位移可分为以下几个：（）（）：左、右滑移螺栓静止，仅滑移端板移动，故两个滑移螺栓上均仅有个摩擦面；（）（）：左侧滑移螺栓开始移动（上一步停在位移为 处），右侧滑移螺栓静止，摩擦面分别为和；（）（南昌大学学报（理科版）年）：左、右侧滑移螺栓分别位于、的位置，这个位移段滑移时，两个滑移螺栓均静止，故摩擦面分别为和；（）（）：左侧滑移螺栓静止，右侧滑移螺栓开始移动，摩擦面分别为和；（）（）：左、右侧滑移螺栓分别位于、处，在这位移段滑移时左、右滑移螺栓均静止，摩擦面分别为和。（）时的滑移螺栓移动840-4-8210-1-2-33Ff/kN（）时滑移支撑的滞回曲线图 位移为 时长圆孔相对位置变化 如图 所示，当滑移支撑位移为 时，其滑移螺栓移动图和位移为时相同，即当支撑在往复荷载下的总位移（为加载步最大位移）小于长圆孔尺寸时，左、右滑移螺栓均不发生移动时，摩擦面总数为；当加载至单个螺栓发生滑移时，摩擦面总数为。在位移为 的第六加载步中，往复荷载（）时的滑移螺栓移动图840-4-8820-2-4-1010Ff/kN-8-646（）时滑移支撑的滞回曲线图 位移为时长圆孔相对位置变化 （）时的滑移螺栓移动图840-4-8820-2-4-1010Ff/kN-8-646（）时滑移支撑的滞回曲线图 位移为 时长圆孔相对位置变化 下支撑的总位移大于长圆孔尺寸，其移动图和滞回曲线与前五个加载步中有所区别，如图 所示。具体表示为：（）（）：左、右滑移螺栓静止，仅滑移端板移动，共个摩擦面；（）（）：左侧滑移螺栓开始移动、右侧滑移螺栓静止，摩擦面总数为；（）（）：左、右侧滑移螺栓均发生移动，摩擦面总数为；（）（）：左、右侧滑移螺栓静止，摩擦面总数为；（）（）：左、右侧滑移螺栓移动，摩擦面总数为；（）（）：左、右侧滑移螺栓静止，摩擦面总数为。在滑移支撑随后的加载过程中，其滑移螺栓移动将仅存在两种状态，左、右侧滑移螺栓同时移动、同时静止两种，摩擦面总数分别为和。第期王雪飞等：考虑摩擦面变化规律的滑移支撑力学模型不同位移下滑移支撑的摩擦面数目基于以上研究表明，当支撑中仅有一个滑移螺栓移动时，摩擦面为个；当两个滑移螺栓均发生移动时，摩擦面为个；当两个滑移螺栓均未发生移动时，摩擦面为个。另外，第二、第四象限的滞回曲线较为平滑，处于两个滑移螺栓均未移动的状态；第一、第三象限的滞回曲线为滑移螺栓移动和静止之间相互转化状态。忽略第六加载步（）中（）的滑移状态（摩擦面数为），可得到滑移支撑各阶段摩擦面数目，如表所示。表滑移支撑的摩擦面数目 摩擦面摩擦面 注：是加载位移；是上一步位移；是长圆孔尺寸。基于表中所得滑移支撑不同阶段摩擦面数目，并结合式（）中滑移支撑的抗滑移承载力计算方法，可明确滑移支撑和相应自复位 支撑在不同阶段的抗滑移承载力，为滑移支撑的设计提供理论基础。结论（）滑移支撑在第二、第四象限的滞回曲线较为平滑，在第一、第三象限的滞回曲线为滑移螺栓移动和静止之间相互转化状态，且存在明显的残余变形；（）增大滑移螺栓扭矩力和摩擦系数可有效提高滑移支撑的抗滑移承载力，但对支撑各阶段受力状态无明显影响；（）基于不同位移下滑移支撑的摩擦面数目所得力学模型，可准确地反应滑移支撑的抗滑移承载力，为相应自复位 支撑的分析与设计提供理论基础。参考文献：熊进刚，陈文，胡淑军，等 基于功能平衡原理和能量耗散系数的 形偏心支撑结构设计方法 南昌大学学报（理科版），（）：胡淑军，顾琦，姜国青，等一种新型自复位 支撑的抗震性能试验研究工程力学，（）：吕西林，武大洋，周颖可恢复功能防震结构研究进展 建筑结构学报，（）：胡淑军，熊悦辰，王湛 偏心支撑结构体系的研究进展及展望建筑钢结构进展，（）：，：，（）：任文杰，王利强，马志成形状记忆合金摩擦复合阻尼器力学性能研究建筑结构学报，（）：张艳霞，李振兴，刘安然，等自复位可更换软钢耗能支撑性能研究工程力学，（）：刘明明，李宏男，付兴一种新型自复位 剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析工程力学，（），：胡淑军，曾思智，熊进刚，等扩孔螺栓连接型消能梁段的耗能机理及设计方法研究自然灾害学报，（）：胡淑军，熊进刚，宋固全 一种新型扩孔螺栓连接型消能梁段及其力学性能 建筑钢结构进展，（）：，：赵俊贤，于海潮，潘毅，等基于滑移连接的防屈曲支撑钢框架节点抗震性能研究 建筑结构学报，（）：，：胡淑军，顾琦，姜俊，等自复位 支撑的滞回性能与简化力学模型 建筑结构学报，（）：刘超，周志钢，房保华，等 非对称扩孔型螺栓连接力学性能试验研究 工程抗震与加固改造，（）：南昌大学学报（理科版）年