一種自復(fù)位防屈曲支撐

申奧南 王曉磊 史三元

摘要： 在結(jié)構(gòu)中加鋼支撐是鋼結(jié)構(gòu)抗震的一種主要形式。普通支撐在受壓狀態(tài)下會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)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(shè)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)難以恢復(fù)。因此，本文提出一種新型的具有自復(fù)位功能的支撐構(gòu)件來優(yōu)化傳統(tǒng)防屈曲支撐的抗震性能。并對該支撐進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行循環(huán)加載分析來對比分析不同構(gòu)件的復(fù)位能力。研究表明，該自復(fù)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞： 防屈曲支撐；殘余變形；自復(fù)位；殘余變形

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

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

0 引言

近年來地震頻發(fā)，做好結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計尤為重要，對于鋼結(jié)構(gòu)而言，抗震設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，在結(jié)構(gòu)中加鋼支撐是鋼結(jié)構(gòu)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(yōu)勢是構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)剛度，由于外包約束構(gòu)件的剛度貢獻(xiàn)，使其克服了傳統(tǒng)鋼支撐容易發(fā)生受壓整體屈曲的缺點，內(nèi)核構(gòu)件的橫向變形被外包約束構(gòu)件緊密地約束，也不易發(fā)生高模態(tài)屈曲，拉壓作用下都可以達(dá)到屈服，拉壓承載力近似相等，在經(jīng)歷多次循環(huán)荷載后，也不會發(fā)生強度和剛度的退化，滯回曲線穩(wěn)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(nèi)芯的彈塑性來耗能，導(dǎo)致在外部荷載施加完畢后會產(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。另外，當(dāng)結(jié)構(gòu)層間殘余變形角超過0.5%時，結(jié)構(gòu)的修復(fù)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(jù)基于影響的抗震設(shè)計概念，國內(nèi)外學(xué)者開展了對具有恢復(fù)性能系統(tǒng)的研究。

2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉璐等以普通鋼絞線制作復(fù)位系統(tǒng)，發(fā)明了一種預(yù)應(yīng)力式SCBRB。2013年，曾鵬等采用雙束串聯(lián)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線充當(dāng)支撐復(fù)位系統(tǒng)，提出了全鋼預(yù)應(yīng)力SCBRB的設(shè)計，該支撐能增大單束預(yù)應(yīng)力SCBRB的最大變形能力。2011年，美國伊利諾伊大學(xué)等采用形狀記憶合金制作復(fù)位系統(tǒng)，開發(fā)了一種形狀記憶合金SCBRB，對其進(jìn)行擬靜力加載實驗。2014年，美國學(xué)者等對形狀記憶合金8IQRQ進(jìn)行實驗，對該支撐的模型參數(shù)進(jìn)行研究，給出形狀記憶合金SCBRB的合理設(shè)計建議。

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

1 自復(fù)位防屈曲支撐的構(gòu)造

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

由圖1所示，該自復(fù)位防屈曲支撐以十字內(nèi)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(nèi)芯端部加設(shè)高強彈簧提供復(fù)位力。十字內(nèi)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(nèi)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(nèi)芯的屈曲約束。外套筒為矩形鋼管，內(nèi)部四角焊有四個角鋼，中間留有十字空隙供十字內(nèi)芯通過。十字內(nèi)芯左連接段中部同樣焊有固定板，為彈簧固定板，上面設(shè)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(nèi)芯彈塑性變形。

2 自復(fù)位防屈曲支撐的工作機(jī)理與恢復(fù)力模型

2.1 支撐的工作機(jī)理

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

2.2 支撐的恢復(fù)力模型

自復(fù)位防屈曲支撐的耗能系統(tǒng)由耗能內(nèi)芯構(gòu)成，復(fù)位系統(tǒng)由復(fù)位彈簧和外套管構(gòu)成。其中，耗能系統(tǒng)的恢復(fù)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(nèi)芯軸力，μ為支撐軸向位移，F(xiàn)yc，μyc分別為內(nèi)芯板的屈曲力和屈服位移，F(xiàn)cm為內(nèi)芯的最大軸力，μcm為支撐內(nèi)芯板最大軸向位移，Kc1、Kc2分別為內(nèi)芯第一剛度和第二剛度。

復(fù)位系統(tǒng)由四根并聯(lián)彈簧和外套筒串聯(lián)共同組成，假設(shè)單根彈簧和外套筒的軸向剛度分別為Ks和Kout，則復(fù)位系統(tǒng)的剛度可以根據(jù)其串并聯(lián)關(guān)系得到：

復(fù)位系統(tǒng)的恢復(fù)力模型如圖4所示，圖4中，F(xiàn)s為復(fù)位系統(tǒng)軸力，μ為支撐的軸向位移，F(xiàn)sm為復(fù)位系統(tǒng)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(fù)位系統(tǒng)和耗能系統(tǒng)并聯(lián)共同作用，因此自復(fù)位防屈曲支撐的恢復(fù)力模型可以根據(jù)復(fù)位系統(tǒng)和耗能系統(tǒng)的疊加組合得出。在圖5中，F(xiàn)，μ分別為支撐所受的軸力及產(chǎn)生的位移，F(xiàn)y為自復(fù)位支撐屈服軸力，μy為支撐的屈服位移。

由圖5可見，自復(fù)位支撐構(gòu)件的軸向恢復(fù)力模型依然是雙折線模型。

與普通BRB相比，自復(fù)位系統(tǒng)提高了第一剛度、第二剛度及屈服力。由圖5可知，當(dāng)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(dāng)發(fā)生相同的最大位移時，自復(fù)位BRB的殘余變形μcr減小到了μ。盡管不能完全實現(xiàn)支撐變形復(fù)位，自復(fù)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(shù)值模擬

3.1 相關(guān)參數(shù)

選用六層五榀兩跨的框架結(jié)構(gòu)模型作為計算模型，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(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。

在原框架中采用單斜形布置支撐，形成支撐框架結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)位防屈曲支撐的恢復(fù)力曲線是由復(fù)位系統(tǒng)線彈性模型和內(nèi)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(fù)位防屈曲支撐的雙折線模型。具體的SCBRB參數(shù)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(xù)時間19.19s。

3.2 結(jié)果對比

三種結(jié)構(gòu)各層最大位移的對比，如圖7所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角的對比，如圖8所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大殘余變形的對比，如圖9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。

參考文獻(xiàn)：

[1]Venkateshwaran Subramanian MD， DM，Krishnamoorthy Kavassery Mahadevan MD， DM，Sivasankaran Sivasubramonian MD， DM. Self‐repositioning of an embolized patent ductus arteriosus device—a nightmare turned into sweet dreams[J]. Catheterization and Cardiovascular Interventions，2015，85（6）.

[2]劉璐，吳斌，李偉，趙俊賢.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（03）：536-541.

[3]張愛林，葉全喜，詹欣欣，劉學(xué)春.具有復(fù)位功能的支撐研究綜述[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，42（09）：1338-1344.

[4]Raechel Johns，Rebecca English. Transition of self： Repositioning the celebrity brand through social media—The case of Elizabeth Gilbert[J]. Journal of Business Research，2016，69（1）.

[5]惠麗潔.自復(fù)位防屈曲支撐及其鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[6]劉璐.自復(fù)位防屈曲支撐結(jié)構(gòu)抗震性能及設(shè)計方法[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[7]Smith R. Repositioning self regulation. The influence of the GMC may be leaking away.[J]. BMJ （Clinical research ed.），1998，317（7164）.

[8]Jennifer A. Scott. Our Callings， Our Selves： Repositioning Religious and Entrepreneurial Discourses in Career Theory and Practice[J]. Communication Studies，2007，58（3）.