自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架的抗震性能分析

譚燕秋，王朋飛，霍立超，王 帥

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

自20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在防屈曲支撐已經(jīng)歷了40余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種技術(shù)基本成熟、標(biāo)準(zhǔn)相對完備的抗側(cè)力耗能減震裝置。在中震或大震作用下，防屈曲支撐在拉壓時均能實現(xiàn)全截面屈服，而不出現(xiàn)支撐構(gòu)件整體或局部屈曲破壞，從而耗散地震能量，保護主體結(jié)構(gòu)免遭破壞。但是，防屈曲支撐是通過自身發(fā)生彈塑性變形來耗散地震能量的，結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震后勢必會產(chǎn)生較大的殘余變形。對于即將倒塌或可能經(jīng)歷后續(xù)地震的結(jié)構(gòu)，殘余變形會對其產(chǎn)生嚴(yán)重影響［1］。孫飛飛等人研究了自復(fù)位減震結(jié)構(gòu)的自位復(fù)性能［2］。C.Christopoulos、Robert Tremblay［3］等人于2008年研發(fā)出自復(fù)位防屈曲支撐，并將其運用到鋼框架中進行研究。劉璐、吳斌［4］等人對自復(fù)位防屈曲支撐做了擬靜力試驗。研究表明:自復(fù)位防屈曲支撐具有復(fù)位和耗能的雙重特性，可以明顯減小結(jié)構(gòu)震后的殘余變形。

本文采用通用有限元軟件ANSYS對自復(fù)位防屈曲支撐剛接鋼框架、防屈曲支撐剛接鋼框架和鋼框架進行罕遇地震作用下的抗震性能對比分析，研究自復(fù)位防屈曲支撐在頂點位移、層間位移角、殘余變形等地震響應(yīng)方面的優(yōu)越性。

1 自復(fù)位防屈曲支撐構(gòu)造原理

1.1 自復(fù)位防屈曲支撐的構(gòu)造

自復(fù)位防屈曲支撐的支撐構(gòu)件為內(nèi)、外兩個方鋼管。內(nèi)管和外管的端部各有一個連接板，用于與結(jié)構(gòu)相連接。如圖1所示，左端的連接板穿過左端板的槽孔與內(nèi)管焊接固定，右端的連接板與外管焊接固定。外管的中段開有槽孔，內(nèi)管的摩擦板穿過外管的槽孔與外管的摩擦板用高強螺栓相接，在高強螺栓上施加設(shè)定的預(yù)緊力。四根1 860 MPa級高強度鋼絞線錨固在左右端板上，通過端板將預(yù)應(yīng)力傳遞給內(nèi)管和外管，也使支撐形成一個整體。在內(nèi)管和外管之間設(shè)置導(dǎo)塊，保證支撐的運動方向不發(fā)生過大偏移。

1.2 自復(fù)位防屈曲支撐的工作原理

當(dāng)施加在自復(fù)位防屈曲支撐兩端的外荷載P小于鋼絞線的預(yù)應(yīng)力P0與內(nèi)、外鋼管之間的摩擦力F之和時，即0＜P≤P0+F時，內(nèi)、外鋼管之間不發(fā)生相對位移，摩擦板不耗能;隨著外荷載的增大，當(dāng)P＞P0+F時，內(nèi)、外鋼管發(fā)生相對位移，摩擦板開始耗能;接著外荷載P逐漸減小，當(dāng)P0－F≤P≤P0+F時(P0≈1.2F)，摩擦板之間的摩擦力反向，不耗能;當(dāng)P＜P0－F時，內(nèi)、外鋼管發(fā)生相對位移，支撐逐漸復(fù)位至初始狀態(tài)，摩擦板耗能。在支撐兩端施加拉、壓荷載其耗能及復(fù)位效果相同。

2 ANSYS計算模型的建立

計算模型為七層五榀兩跨的框架－支撐體系，自復(fù)位防屈曲支撐自底層至頂層連續(xù)布置在第二、第四榀框架中，框架層高3.6 m，跨距7.5 m，模型如圖2所示。本結(jié)構(gòu)處于Ⅲ類場地，第二地震分組，抗震設(shè)防烈度為8度，罕遇地震下結(jié)構(gòu)阻尼比取 0.05［5］。

2.1 自復(fù)位防屈曲支撐滯回模型的建立

自復(fù)位防屈曲支撐的滯回模型為旗形滯回模型，如圖3(a)所示，但在ANSYS中沒有這種特殊材料的本構(gòu)模型，因此不能直接建立其滯回模型。本文從自復(fù)位防屈曲支撐的力學(xué)特性入手，將其滯回模型分解為雙折線彈性模型和純摩擦彈塑性模型兩個部分，分別如圖3(b)、3(c)所示。分解后的兩種模型都可以用ANSYS中現(xiàn)有的材料模型進行模擬，再將這兩種單元疊加在一起就得到了自復(fù)位防屈曲支撐的滯回模型［6］。對模型(材料特性及相關(guān)參數(shù)見2.2)施加圖4所示的載荷步，得到的滯回曲線如圖5所示。

鋼框架的梁、柱均采用BEAM188單元模擬，支撐均采用LINK8單元模擬，樓板采用SHELL63單元模擬。

2.2 材料特性及相關(guān)參數(shù)

鋼框架的梁、柱均采用經(jīng)典雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度205 MPa，強化模量Est=4 120 MPa，密度7 850 kg/m3，柱截面為HW400×400×13×21 mm，梁截面為HN600×300×11×17 mm。

自復(fù)位防屈曲支撐由兩個LINK8單元疊加模擬，其一為多彈性材料模型，彈性模量E=1.3×106MPa，泊松比0.3，兩組應(yīng)變點和應(yīng)力點分別是0.000 3 和390 MPa、0.01 和1 950 MPa;其二為雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=1.2×106 MPa，泊松比 0.3，屈服強度 360 MPa，強化模量Est=0，密度7 850 kg/m3，兩個LINK8單元截面實常數(shù)均為 0.001 m2，長度 8.32 m。

防屈曲支撐由一個LINK8單元模擬，為雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 0.3，屈服強度 345 MPa，強化模量Est=6 589 MPa，密度7 850 kg/m3，單元截面實常數(shù)為0.002 2 m2。長度8.32 m。

樓板為各向同性彈性材料模型，彈性模量E=3.0 ×104MPa，泊松比 0.3，板厚 0.15 m，密度 2 500 kg/m3。

2.3 邊界條件及地震波的施加

各柱腳結(jié)點與地基固接，梁、柱結(jié)點為剛接，支撐與梁、柱結(jié)點通過自由度耦合的方式進行鉸接。

樓面均布活荷載2 kN/m2，重力加速度9.81 m/s2，地震波記錄采用1976年寧河天津波地震記錄(南北向)，積分步長 0.01 s，持續(xù)時間 19.19 s。要得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的地震響應(yīng)，需將地震波記錄峰值調(diào)幅為400 cm/s2，調(diào)幅后的地震波如圖6所示。為得到結(jié)構(gòu)震后的殘余變形，在調(diào)幅后的地震波記錄中添加持時20 s的零值加速度。

3 結(jié)果對比

3.1 對比準(zhǔn)則的建立

由于自復(fù)位防屈曲支撐和防屈曲支撐有共同特征，即它們都具有由第一剛度進入第二剛度的屈服力，故選兩種支撐的屈服力(均為750 kN)為對比準(zhǔn)則［7］。

地震響應(yīng)以平行于支撐布置平面的第三榀框架梁、柱結(jié)點UX方向的位移為對比準(zhǔn)則。

3.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的對比

三種結(jié)構(gòu)頂點位移響應(yīng)的對比，如圖7所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大位移的對比，如圖8所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角的對比，如圖9所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大殘余變形的對比，如圖10所示。

4 結(jié)論

自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架的頂點最大位移、各層最大位移、層間位移角、殘余變形等地震響應(yīng)方面均明顯小于防屈曲支撐鋼框架和鋼框架。尤其在殘余變形方面，自復(fù)位防屈曲支撐具有顯著的優(yōu)勢，基本上消除了結(jié)構(gòu)震后的殘余變形，具有良好的復(fù)位效果。

［1］CHRISTOPOULOS C，PAMPANIN S，PRIESTLEY M J N.Performance－based seismic response of frame structures including residual deformations.PartⅠ:single－degree offreedom system［J］.Journal of Earthquake Engineering，2003，7(1):97 －118.

［2］譚燕秋，王穎欣.高層鋼結(jié)構(gòu)中BRC蹺動技術(shù)的減震影響分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，30(1)1－5.

［3］C CHRISTOPOULOS，R TREMBLAY，H J KIM，M LACERTE.Self－centering energy dissipative bracing system for the seismic resistance of structures:development and validation［J］.Journal of Structural Engineering，2008，134(1):96－107.

［4］劉 璐，吳 斌，李 偉，等.一種新型自復(fù)位防屈曲支撐的擬靜力試驗［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(3):536－541.

［5］GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［7］宋子文.自復(fù)位耗能支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.