防屈曲支撐抗震耗能性能分析

許振*

（哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江哈爾濱，150028）

引言

防屈曲支撐是一種新型的耗能支撐，主要由內芯單元，外約束和無粘結材料三部分構成。內芯單元主要承受軸向力的作用，由于內芯初始撓度的存在，當軸向作用逐漸增大使內芯單元屈服，通過外約束的約束內芯作用，使內芯的屈曲模態階數逐漸增加，構件內芯的承載力也隨之逐漸提高，直到整個構件整體失穩或局部失穩破壞；內芯與外約束之間為無粘結材料或間隙，這種設置作用可以盡可能減少內芯和外約束的摩擦作用，確保內芯承受最大的軸向作用。與普通支撐的不同之處在于，防屈曲支撐外圍約束構件的存在，使其內芯板件在軸向壓力的作用下會達到全截面屈服，而不會存在截面屈曲先于截面屈服出現，喪失承載力的情況，進而達到良好的滯回耗能效果，提高結構承載力和抗側剛度。在地震小震作用下，防屈曲支撐的作用類似于中心支撐作用，提高結構的側向剛度；在中震或者大震的作用下，防屈曲支撐內芯受到拉壓作用屈服來消耗地震的能量，外約束使中心支撐不會發生整體失穩，從而保證結構的整體安全性。

1 有限元模型的建立

本文采用經典的雙線性隨動強化模型來模擬鋼材本構關系和規范推薦的過鎮海應力—應變全曲線來模擬混凝土的本構關系，相關鋼材和混凝土的本構關系如圖1所示。

圖1 材料本構關系

對三種截面類型的防屈曲支撐進行研究，如圖2所示。A型芯材為十字性鋼，約束構件為方鋼管并內填混凝土；B型芯材為十字性鋼，約束構件為圓鋼管并內填混凝土；C型芯材為圓鋼管，約束構件也為圓鋼管。其中C型外套約束鋼管與芯材鋼管之間有較小間隙，不填充砂漿。

圖2 防屈曲支撐截面形式

2 防屈曲支撐的滯回性能

2.1 模型尺寸及加載方式

對上述三類的防屈曲支撐滯回性能進行分析。其中，內芯單元選用鋼材為Q235鋼，外圍約束單元選用混凝土為C20，選用鋼材為Q345鋼。構件的模型屬性如表1。

表1 防屈曲支撐截面屬性

加載制度采用支撐變形幅值不斷增大的位移控制加載，變形幅值分別對應于1～10倍、12倍、15倍內核構件約束屈服段受拉屈服變形值，各循環3次。

2.2 滯回曲線分析結果

根據位移控制加載方式，對不同截面的防屈曲支撐進行有限元模擬分析，以防屈曲支撐的軸向變形位移值為x軸，軸向加載力的值為y軸，建立三種不同截面防屈曲支撐的滯回曲線，所得各個截面防屈曲支撐滯回曲線如圖 3所示。

圖3 防屈曲支撐滯回曲線

3 構件組成對性能的影響因素分析

3.1 約束剛度

約束剛度是描述外圍約束單元對內芯單元約束效果優劣的物理量，一般可以用約束比來衡量。根據有限元軟件模擬分析，當三個系列的防屈曲支撐

從上圖中可以分析得，三種不同截面的滯回曲線均穩定飽滿，具有良好的耗能能力。雖然內核支撐出現側向變形，但由于外套管的約束，限制了內芯的側向變形，使得內芯支撐只有向高階屈曲模態逐漸發展，從而能夠使內芯的軸向承載能力也隨之提高，直到防屈曲支撐整體或局部失穩破壞。三種類型的防屈曲支撐相同位移幅值的完整滯回環基本重合，僅在加載到幅值后卸載過程中有所不同。由三種截面的滯回曲線和滯回曲線對比，三種不用截面的防屈曲支撐均具有良好的滯回耗能性能。的軸向應變達到0.2%時，防屈曲支撐達到全截面屈服，荷載位移曲線趨于水平，受壓荷載逐漸接近并最終達到內芯單元的受壓屈服荷載。當軸向應變達到1.2%時，防屈曲支撐發生屈曲失穩，荷載位移曲線出現下降段，二者軸向極限承載力分別為211.10kN和197.20kN。

綜合上述分析，約束比變化對三種類型防屈曲支撐受力性能的影響趨勢是一致的，即約束比較小時，防屈曲支撐失穩荷載低于內芯單元的屈服荷載，內芯單元尚未達到全截面屈服即出現屈曲失穩而喪失承載力；隨著約束比的提高，滿足屈曲失穩荷載高于內芯單元的屈服荷載要求，防屈曲支撐達到全截面屈服，荷載位移曲線趨于水平，受壓荷載Pl達到內芯單元的受壓屈服荷載y。

3.2 內芯單元寬厚比

防屈曲支撐的間隙與屈曲半波長得相對值的比值在防屈曲支撐設計分析是一個很關鍵的因素。當內芯寬厚比越大，內芯受相同荷載作用下軸向應變越大，荷載位移曲線斜率小即初始彈性剛度小，達到全截面屈服時軸向應變為0.3%。而寬厚比較小的內芯單元，全截面屈服軸向應變為0.2%。寬厚比的增加內芯會出現一定程度的滯后現象，當軸向應變達到0.3%后，不同寬厚比荷載位移曲線趨于水平，軸向壓力達到截面屈服荷載。防屈曲支撐在反復荷載作用下，滯回曲線包絡面積越大，抗震耗能性能越好。初始彈性剛度越大，其滯回曲線更為飽滿，此時防屈曲支撐具有良好的低周疲勞性能，由此可見，內芯寬厚比不宜過大，但為滿足內芯單元連接段布置螺栓。避免尺寸過小而出現過大的應力集中，連接段和核心段的截面尺寸不宜相差過大，故內芯板件的寬厚不宜取的過小，建議寬厚比在5～10之間。

3.3 連接剛性

防屈曲支撐僅由內芯單元承受軸向作用力，而不能承受剪力和彎矩，故在一般數值分析計算中，支撐的連接是按理想鉸接考慮的。然而，在實際工程中，完全理想的鉸鏈接是不存在的。同時，為了保證防屈曲支撐連接處的穩定性，需具有一定的剛性。本文考慮理想鉸接和理想剛接兩種極端情況，分析連接剛性對防屈曲支撐受力性能的影響。對約束比較大的防屈曲支撐，端部采用理想剛接和理想鉸接，其均能達到全截面屈服，受壓荷載均能達到內芯單元屈服荷載。故當約束剛度比一定滿足條件后（ζ≥2.0），防屈曲支撐可采用相對簡單的端部連接構造形式。對約束比較小的防屈曲支撐，端部采用理想剛接時，其受力性能較理想鉸接有一定提高。

4 結束語

通過對三種類型的防屈曲支撐，建立有限元模型。對三種類型的防屈曲支撐的基本參數和性能進行分析，得到以下結論：

（1）三種類型的防屈曲支撐均具有良好的滯回耗能性能，A、B和C型截面相在同位移幅值下完整滯回環所包絡的面積依次增大。

（2）防屈曲支撐約束比較小時，內芯單元尚未達到全截面屈服即出現屈曲失穩而喪失承載力；隨著約束比的提高，防屈曲支撐達到全截面屈服，荷載位移曲線趨于水平，受壓荷載達到內芯單元的受壓屈服荷載。

（3）對于內芯單元寬厚比，隨著內芯單元寬厚比的增大防屈曲支撐會出現一定程度的屈服滯后現象，而影響防屈曲支撐的低周疲勞性能，故內芯單元的寬厚比不宜過大；同時，為滿足內芯單元連接段構造要求，避免出現過大的應力集中，內芯單元的寬厚不宜取的過小。建議寬厚比在5～10之間。

（4）對于防屈曲支撐構件初始缺陷和連接剛性，當約束比越小，對防屈曲支撐的力學性能影響越顯著，當約束比滿足一定條件后，兩者對支撐承載力性能影響不大。

[1] 哈敏強. 普通和新型抑制屈曲支撐的力學性能及其應用研究[D]. 上海:同濟大學,2004.

[2] 歐進萍. 結構振動控制——主動、半主動與智能控制[M]. 科學出版社,2003.

[3] 周云. 防屈曲耗能支撐結構設計與應用[M]. 中國建筑工業出版社,2007.

[4] 李妍,吳斌,王倩穎等. 防屈曲鋼支撐阻尼器的試驗研究[J]. 土木工程學報,2006,39(7):9-14.

[5] 郭彥林. 結構的耗能減震與防屈曲支撐[J]. 建筑結構,2005(8):18-23.