防屈曲支撐鋼框架的抗震性能研究*

劉 偉 李大鵬 王光云

(吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130118)

防屈曲支撐是一種新形式的耗能支撐，它與普通支撐的區(qū)別在于:普通支撐在受壓時(shí)存在屈曲問題，而防屈曲支撐由于外圍約束作用，內(nèi)核單元在受壓時(shí)會達(dá)到全截面屈服，通過屈服滯回達(dá)到耗能目的.其截面形式及構(gòu)成如圖1所示［1］.

圖1 防屈曲支撐的縱向截面形式及構(gòu)成

核心段是內(nèi)核單元較長一段區(qū)域，是防屈曲支撐最主要構(gòu)成部分，它在全長上被約束單元所包裹.連接段是內(nèi)核單元兩端與框架節(jié)點(diǎn)板相連接的區(qū)域，未被約束單元所包裹，而與核心段相接部分則被包裹在約束單元內(nèi)部.約束單元由鋼管內(nèi)填混凝土組成，外包在內(nèi)核單元周圍［2］.

1 整體結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1 防屈曲支撐鋼框架

本文研究對象為一層的平面［3］，層高3 m，跨度6 m，恒荷載取3.5 kN/m2，活荷載2.0 kN，框架梁柱為鉸接，框架柱截面300×300×8×8，框架梁截面300×200×6×6，支撐截面120×100×6×4屈曲支撐內(nèi)核單元和普通支撐截面面積相等，屈曲支撐鋼管為? 140×4，支撐與梁柱為鉸接，幾何尺寸如圖3所示.

1.2 有限元分析模型的建立

對3種平面框架進(jìn)行分析，防屈曲支撐的內(nèi)核采用SOLID 45單元，因?yàn)樵搯卧哂?個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x，y，z 3個(gè)平動自由度，鋼材選用Q 235，同時(shí)具有塑性、徐變、膨脹、大變形和大應(yīng)變.約束套管采用SHELL 181單元，套管內(nèi)填混凝土采用SOLID 65單元，混凝土強(qiáng)度為C 20，分別采用接觸單元CONTA 173.鋼框架采用BEAM 188單元.具體模型如圖2～圖4所示.

圖2 純框架有限元模型

圖3 普通中心支撐模型

圖4 防屈曲支撐模型

1.3 有限元加載選擇

按照構(gòu)件實(shí)際受力情況，在有限元分析時(shí)采用位移控制荷載方式進(jìn)行加載.

2 防屈曲支撐有限元分析

2.1 純框架支撐、普通支撐與防屈曲支撐對比分析

框架在水平荷載作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)處及柱腳處應(yīng)力最大.以水平位移10 mm為例，可以看見框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖5所示.

圖5 10 mm水平位移時(shí)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

隨著框架形式的不同［4］，在結(jié)構(gòu)屈曲之前，框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布也不同.以框架的柱腳最大應(yīng)力作為分析對象，結(jié)構(gòu)在4 mm，6 mm，8 mm，10 mm時(shí)最大應(yīng)力見表1.

表1 框架結(jié)構(gòu)在不同側(cè)移下最大應(yīng)力 (kN)

從表1中可以看到，對于框架結(jié)構(gòu)，柱腳最大應(yīng)力隨著側(cè)向位移增大呈線性增加，而當(dāng)支撐強(qiáng)度改變時(shí)，柱腳最大應(yīng)力發(fā)生了相應(yīng)的改變;純框架、普通中心支撐、屈曲支撐在相同水平位移下，隨著支撐剛度的增加，柱腳應(yīng)力也隨著增大.

2.2 滯回分析

通過結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載作用下的滯回分析，可以比較結(jié)構(gòu)的延性性能和耗能能力，支撐結(jié)構(gòu)的往復(fù)加載，考察對象為文中提到的3種情況，得到了純框架、普通支撐和防屈曲支撐的滯回曲線如圖6所示［5］.

圖6 3種應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線分析

3 結(jié)論

上述分析表明，純框架的延性好，但剛度小;普通支撐框架在支撐受壓時(shí)，承載力惡化嚴(yán)重，滯回曲線顯示拉壓嚴(yán)重不對稱，面積很小，這意味著滯回性能能力很差;防屈曲支撐既增加了結(jié)構(gòu)剛度，又提高了結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力.

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