談防屈曲支撐工作機理及穩定設計方法★

候召 陳麒丞 胡琤永 程卓 候善萌 高澤寧 魯軍凱

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

防屈曲支撐是一種兼顧普通支撐和金屬阻尼器雙重功能的新型支撐。因其具有良好的延性性能及穩定的滯回性能，近年來已經在世界各國建筑工程中得到了廣泛應用。由于支撐內芯外圍約束構件的約束作用，支撐內芯可以在拉壓作用下均實現屈服耗能而不發生構件的失穩破壞，因此這種支撐既能在小震下給主體結構提供抗側剛度，又能在中震及大震作用下利用支撐內芯的塑性變形消耗地震能量，進而實現損傷控制并保護主體結構在地震作用下免受嚴重損傷。而如何準確地揭示防屈曲支撐工作機理，提出全面合理的支撐穩定設計方法顯得尤為重要。

1 防屈曲支撐工作機理

如圖1所示，一個典型的防屈曲支撐主要由支撐內芯、約束構件以及二者之間的無粘結層或間隙組成。其中支撐內芯主要承受軸力作用，并利用其塑性變形消耗地震能量;約束構件通過提供抗彎剛度及抗彎承載力抑制支撐發生側向失穩;無粘結層或間隙的作用是減少內芯與約束構件之間的摩擦，并提供給支撐內芯在受壓作用下由于泊松效應產生的膨脹變形的空間。對于設計合理的防屈曲支撐，隨著支撐軸力的增加，防屈曲支撐內芯將從低階屈曲模態逐漸發展為高階模態。但是如果支撐外圍約束構件強度不足時，將會發生約束構件的整體或局部失穩，其中，約束構件的整體失穩是由于其抗彎承載力小于其承受的彎矩，約束構件的局部失穩則是由于內芯與約束構件之間的局部擠壓力產生的作用效應超過了外圍約束構件的抗鼓曲承載力。而當支撐內芯外伸段控制截面的軸力—彎矩響應超過其極限承載力時，支撐外伸段將發生平面內或平面外失穩。

圖1 防屈曲支撐構造及其典型屈曲破壞模式

2 防屈曲支撐整體穩定設計方法

如圖2所示，日本學者Usami等［1］針對全鋼防屈曲支撐，考慮支撐約束構件的初始撓度，內芯與約束構件之間間隙及支撐兩端加載點的相對偏心距等影響，將支撐內芯與約束構件之間的作用力為均布荷載，并通過推導給出支撐約束構件的穩定設計準則:

其中，a為約束構件的初始缺陷;s為內芯與約束構件之間間隙;e為支撐端部力作用點處的初始偏心距;Ncu為支撐最大軸向壓力;NBcr為約束構件的彈性屈曲臨界力;MBy為約束構件的屈服彎矩。但是，在其提出的力學模型中，忽略了支撐內芯外伸段的影響，并假設約束構件的邊界條件為鉸支，而且這種將間隙、偏心距直接疊加到約束構件的初彎曲上計算彎矩響應的做法并不能真實地反映內芯與約束構件之間的變形協調作用。

圖2 Usami等提出的支撐模型[1]

針對防屈曲支撐連接段的平面外穩定問題，Koetaka等［2］及 Takeuchi等［3］展開了系列研究。在其研究中，將支撐構件、節點板以及與節點板附近的梁柱節點域統一視為一個支撐系統，并假設支撐端部存在一個可以傳遞彎矩的塑性鉸，因此該方法可以考慮支撐節點的轉動以及支撐內芯與約束構件之間的相對轉動對支撐受力性能的影響。該方法進一步揭示了實際結構中支撐的工作機理，但是并不能考慮內芯與約束構件之間的相互作用以及支撐內芯剛度對支撐受力性能的影響。

鑒于此，作者認為對于支撐整體穩定設計方法的研究應著重考慮以下內容:實際工程中，防屈曲支撐與主體結構通常采用螺栓、焊接連接以及銷軸連接，而螺栓或焊接連接的防屈曲支撐邊界條件更接近于固接，銷軸連接支撐則接近于鉸接，如何考慮不同支撐邊界條件對支撐整體穩定的影響需要進一步研究;現行設計方法忽略了支撐內芯耗能段剛度，但實際上支撐內芯屈服后仍具有一定剛度，如何考慮內芯耗能段屈服后剛度對支撐受力性能及變形模式的影響仍需進一步探討。

3 防屈曲支撐局部穩定設計方法

防屈曲支撐另一種主要的破壞模式是局部失穩破壞，研究發現［4-6］，該類破壞的本質是隨著支撐軸力的增加，內芯與約束構件之間的局部擠壓力產生的作用效應超過了外圍約束構件的抗鼓曲承載力。其中，Wei等［4］基于支撐約束構件內的混凝土的剛度確定支撐內芯的局部穩定臨界力，并給出支撐的局部穩定設計準則，但是該方法沒有考慮支撐內芯與約束構件之間間隙的影響，而且也沒有考慮支撐外套管對局部穩定的影響。Takeuchi等［5］與 Lin等［6］則將支撐內芯視為一個無約束壓桿，并基于歐拉臨界力公式確定內芯與約束構件間局部擠壓力。然而，有關研究發現，由于忽略了支撐約束構件提供的側向約束作用，這種將支撐內芯視為無約束壓桿的方法將低估內芯與約束構件之間局部擠壓力。

鑒于以上內容，作者認為對于支撐的局部穩定問題的研究應著重考慮以下內容:基于防屈曲支撐的工作機理，如何考慮支撐內芯外伸段與約束構件之間相對轉動引起的附加局部擠壓力對支撐局部穩定的影響需要進一步研究;實際上，結構中的支撐在地震作用下，不僅會發生軸向變形，還會由于結構變形導致支撐端部發生相對轉動，因此如何考慮結構變形引起的支撐端部變形對支撐局部穩定性能的影響需要進一步探討。

4 結語

不同于普通支撐，由于防屈曲支撐的特殊構造，從受力情況看，防屈曲支撐的內芯及約束構件是相互獨立的，而從變形角度看，二者又是協調統一的。因此對于防屈曲支撐的穩定問題應從二者之間相互作用的工作機理入手。防屈曲支撐主要的失穩模式是整體失穩及局部失穩，對于支撐的整體穩定設計方法，應在現有方法的基礎上，著重考察內芯邊界條件以及內芯耗能段剛度對防屈曲支撐整體穩定的影響;而對于支撐的局部穩定設計方法，應在現有方法的基礎上，重點考慮支撐內芯外伸段與約束構件之間相對轉動、結構變形引起的支撐端部變形等因素對支撐局部穩定的影響。