一種自復位防屈曲支撐

申奧南 王曉磊 史三元

摘要： 在結構中加鋼支撐是鋼結構抗震的一種主要形式。普通支撐在受壓狀態下會產生屈曲現象，為了提高支撐的承載力和滯回性能，一般采用在支撐外部設置套筒的防屈曲支撐。但防屈曲支撐在震后留有過大殘余變形，導致結構難以恢復。因此，本文提出一種新型的具有自復位功能的支撐構件來優化傳統防屈曲支撐的抗震性能。并對該支撐進行了數值模擬，通過對結構模型進行循環加載分析來對比分析不同構件的復位能力。研究表明，該自復位防屈曲支撐相較于普通防屈曲支撐而言，能夠更好的減少結構體系的殘余變形。

Abstract： Steel support in the structure is one of the main forms of steel structure aseismic. The buckling of normal braces under compression is very important. In order to improve the bearing capacity and hysteretic performance of braces， buckling restrained brace is usually used to support sleeves outside the support. However， the anti buckling support has a large residual deformation after the earthquake， which causes the structure to be difficult to recover. Therefore， a new type of support component with self reset function is proposed in this paper to optimize the seismic performance of the traditional anti buckling support. The numerical simulation of the support is carried out， and the reposition ability of different components is compared and analyzed by cyclic loading analysis of the structural model. The study shows that the self reset flexion support can reduce the residual deformation of the structural system better than the ordinary buckling support.

關鍵詞： 防屈曲支撐；殘余變形；自復位；殘余變形

Key words： anti buckling support；residual deformation；self reset；residual deformation

中圖分類號：TU317 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0116-03

0 引言

近年來地震頻發，做好結構的抗震設計尤為重要，對于鋼結構而言，抗震設計是鋼結構設計的關鍵一環。在結構抗震設計中，在結構中加鋼支撐是鋼結構抗震的一種主要形式。防屈曲支撐相較普通支撐而言，其最大優勢是構件承載力和剛度的分離，這很好地解決了普通支撐無法在不增加結構剛度的情況下提高承載力的問題。此外，防屈曲支撐可以提供很大的抗側剛度，由于外包約束構件的剛度貢獻，使其克服了傳統鋼支撐容易發生受壓整體屈曲的缺點，內核構件的橫向變形被外包約束構件緊密地約束，也不易發生高模態屈曲，拉壓作用下都可以達到屈服，拉壓承載力近似相等，在經歷多次循環荷載后，也不會發生強度和剛度的退化，滯回曲線穩定飽滿，具有良好的疲勞性能和耗能能力。

但由于防屈曲支撐依靠耗能內芯的彈塑性來耗能，導致在外部荷載施加完畢后會產生較大的殘余變形，對于即將倒塌或可能經歷后續地震的結構，殘余變形會對其產生嚴重影響。另外，當結構層間殘余變形角超過0.5%時，結構的修復成本已大于重建。為了減少或者消除防屈曲支撐體系的殘余變形，根據基于影響的抗震設計概念，國內外學者開展了對具有恢復性能系統的研究。

2010年，哈爾濱工業大學劉璐等以普通鋼絞線制作復位系統，發明了一種預應力式SCBRB。2013年，曾鵬等采用雙束串聯的預應力鋼絞線充當支撐復位系統，提出了全鋼預應力SCBRB的設計，該支撐能增大單束預應力SCBRB的最大變形能力。2011年，美國伊利諾伊大學等采用形狀記憶合金制作復位系統，開發了一種形狀記憶合金SCBRB，對其進行擬靜力加載實驗。2014年，美國學者等對形狀記憶合金8IQRQ進行實驗，對該支撐的模型參數進行研究，給出形狀記憶合金SCBRB的合理設計建議。

具有自復位性能的斜撐，可以更好地避免結構在震后殘留的大量變形，使結構更大程度上的得以恢復，實現建筑本身價值。本文通過提出一種新型的自復位性能的防屈曲支撐形式，并進行數值模擬分析，研究這種結構對于建筑減震的優勢及缺陷，并驗證其滯回性能和復位效果。

1 自復位防屈曲支撐的構造

自復位防屈曲支撐在構造形式上分為兩部分：防屈曲支撐（BRB）復位系統（SC）。具體形式如圖1所示。

由圖1所示，該自復位防屈曲支撐以十字內芯作為主要耗能材料，外部采用方鋼管作為防屈曲套筒，并在十字內芯端部加設高強彈簧提供復位力。十字內芯如圖2所示，選用變截面形式，分為屈服段、加強段、連接段。在十字內芯右連接段與加強段交接處焊有固定板，該固定板與外套筒焊接，保證外套筒對內芯的屈曲約束。外套筒為矩形鋼管，內部四角焊有四個角鋼，中間留有十字空隙供十字內芯通過。十字內芯左連接段中部同樣焊有固定板，為彈簧固定板，上面設置高強彈簧與外套筒的開孔固定板連接，且開孔固定板同樣留有十字空隙供十字內芯彈塑性變形。

2 自復位防屈曲支撐的工作機理與恢復力模型

2.1 支撐的工作機理

由圖1所示的彈簧式SCBRB的構造可知，在外力作用下內芯將產生拉壓變形。開孔固定板和外方鋼管也因此產生相對位移，迫使彈簧固定板和開孔固定板之間的彈簧產生變形。彈簧變形的反作用力將會減小內芯板的變形，從而實現支撐的復位能力。

2.2 支撐的恢復力模型

自復位防屈曲支撐的耗能系統由耗能內芯構成，復位系統由復位彈簧和外套管構成。其中，耗能系統的恢復力模型可以簡化為一個理想的雙折線模型。如圖3所示，其中FC為內芯軸力，μ為支撐軸向位移，Fyc，μyc分別為內芯板的屈曲力和屈服位移，Fcm為內芯的最大軸力，μcm為支撐內芯板最大軸向位移，Kc1、Kc2分別為內芯第一剛度和第二剛度。

復位系統由四根并聯彈簧和外套筒串聯共同組成，假設單根彈簧和外套筒的軸向剛度分別為Ks和Kout，則復位系統的剛度可以根據其串并聯關系得到：

復位系統的恢復力模型如圖4所示，圖4中，Fs為復位系統軸力，μ為支撐的軸向位移，Fsm為復位系統的最大軸力，μm為支撐最大軸向位移。

如圖5所示，該新型防屈曲支撐由復位系統和耗能系統并聯共同作用，因此自復位防屈曲支撐的恢復力模型可以根據復位系統和耗能系統的疊加組合得出。在圖5中，F，μ分別為支撐所受的軸力及產生的位移，Fy為自復位支撐屈服軸力，μy為支撐的屈服位移。

由圖5可見，自復位支撐構件的軸向恢復力模型依然是雙折線模型。

與普通BRB相比，自復位系統提高了第一剛度、第二剛度及屈服力。由圖5可知，當支撐外力為零時，支撐的位移即為殘余變形μr。與普通BRB相比，當發生相同的最大位移時，自復位BRB的殘余變形μcr減小到了μ。盡管不能完全實現支撐變形復位，自復位BRB仍能夠很大程度上減小支撐的殘余變形。

3 支撐框架的數值模擬

3.1 相關參數

選用六層五榀兩跨的框架結構模型作為計算模型，自復位防屈曲支撐自底層至頂層連續布置在第二、第四品框架中，支撐布置如圖6所示。其中框架層高3.9m，跨距7.5m。本結構處于Ⅲ類場地，第二地震分組，抗震設防烈度為8度，罕遇地震下結構阻尼比取0.05。

在原框架中采用單斜形布置支撐，形成支撐框架結構，如圖6所示。分別考慮三種類型支撐方案：無支撐，防屈曲支撐，彈簧式自復位防屈曲支撐。在sap2000中按圖6所示方式分別建立三種支撐框架模型。彈簧式自復位防屈曲支撐的恢復力曲線是由復位系統線彈性模型和內芯彈塑性模型疊加而成的雙折線模型，可用Wen塑性單元模擬彈簧式自復位防屈曲支撐的雙折線模型。具體的SCBRB參數如表1所示。

樓面均布活荷載2kN/m2，重力加速度9.81m/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0.01s，持續時間19.19s。

3.2 結果對比

三種結構各層最大位移的對比，如圖7所示。

三種結構各層最大層間位移角的對比，如圖8所示。

三種結構各層最大殘余變形的對比，如圖9所示。

4 結論

自復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，自復位防屈曲支撐具有顯著的優勢，基本上消除了結構震后的殘余變形，具有良好的復位效果。

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