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(zé)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(nèi)芯單元，外約束和無粘結(jié)材料三部分構(gòu)成。內(nèi)芯單元主要承受軸向力的作用，由于內(nèi)芯初始撓度的存在，當(dāng)軸向作用逐漸增大使內(nèi)芯單元屈服，通過外約束的約束內(nèi)芯作用，使內(nèi)芯的屈曲模態(tài)階數(shù)逐漸增加，構(gòu)件內(nèi)芯的承載力也隨之逐漸提高，直到整個(gè)構(gòu)件整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)破壞；內(nèi)芯與外約束之間為無粘結(jié)材料或間隙，這種設(shè)置作用可以盡可能減少內(nèi)芯和外約束的摩擦作用，確保內(nèi)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(gòu)件的存在，使其內(nèi)芯板件在軸向壓力的作用下會(huì)達(dá)到全截面屈服，而不會(huì)存在截面屈曲先于截面屈服出現(xiàn)，喪失承載力的情況，進(jìn)而達(dá)到良好的滯回耗能效果，提高結(jié)構(gòu)承載力和抗側(cè)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(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度；在中震或者大震的作用下，防屈曲支撐內(nèi)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(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，從而保證結(jié)構(gòu)的整體安全性。

1 有限元模型的建立

本文采用經(jīng)典的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型來模擬鋼材本構(gòu)關(guān)系和規(guī)范推薦的過鎮(zhèn)海應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€來模擬混凝土的本構(gòu)關(guān)系，相關(guān)鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 材料本構(gòu)關(guān)系

對三種截面類型的防屈曲支撐進(jìn)行研究，如圖2所示。A型芯材為十字性鋼，約束構(gòu)件為方鋼管并內(nèi)填混凝土；B型芯材為十字性鋼，約束構(gòu)件為圓鋼管并內(nèi)填混凝土；C型芯材為圓鋼管，約束構(gòu)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(jìn)行分析。其中，內(nèi)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(gòu)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(yīng)于1～10倍、12倍、15倍內(nèi)核構(gòu)件約束屈服段受拉屈服變形值，各循環(huán)3次。

2.2 滯回曲線分析結(jié)果

根據(jù)位移控制加載方式，對不同截面的防屈曲支撐進(jìn)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(gè)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(gòu)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(nèi)芯單元約束效果優(yōu)劣的物理量，一般可以用約束比來衡量。根據(jù)有限元軟件模擬分析，當(dāng)三個(gè)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(wěn)定飽滿，具有良好的耗能能力。雖然內(nèi)核支撐出現(xiàn)側(cè)向變形，但由于外套管的約束，限制了內(nèi)芯的側(cè)向變形，使得內(nèi)芯支撐只有向高階屈曲模態(tài)逐漸發(fā)展，從而能夠使內(nèi)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(wěn)破壞。三種類型的防屈曲支撐相同位移幅值的完整滯回環(huán)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(yīng)變達(dá)到0.2%時(shí)，防屈曲支撐達(dá)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(dá)到內(nèi)芯單元的受壓屈服荷載。當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到1.2%時(shí)，防屈曲支撐發(fā)生屈曲失穩(wěn)，荷載位移曲線出現(xiàn)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(shí)，防屈曲支撐失穩(wěn)荷載低于內(nèi)芯單元的屈服荷載，內(nèi)芯單元尚未達(dá)到全截面屈服即出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)而喪失承載力；隨著約束比的提高，滿足屈曲失穩(wěn)荷載高于內(nèi)芯單元的屈服荷載要求，防屈曲支撐達(dá)到全截面屈服，荷載位移曲線趨于水平，受壓荷載Pl達(dá)到內(nèi)芯單元的受壓屈服荷載y。

3.2 內(nèi)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(shè)計(jì)分析是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。當(dāng)內(nèi)芯寬厚比越大，內(nèi)芯受相同荷載作用下軸向應(yīng)變越大，荷載位移曲線斜率小即初始彈性剛度小，達(dá)到全截面屈服時(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?.3%。而寬厚比較小的內(nèi)芯單元，全截面屈服軸向應(yīng)變?yōu)?.2%。寬厚比的增加內(nèi)芯會(huì)出現(xiàn)一定程度的滯后現(xiàn)象，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到0.3%后，不同寬厚比荷載位移曲線趨于水平，軸向壓力達(dá)到截面屈服荷載。防屈曲支撐在反復(fù)荷載作用下，滯回曲線包絡(luò)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(shí)防屈曲支撐具有良好的低周疲勞性能，由此可見，內(nèi)芯寬厚比不宜過大，但為滿足內(nèi)芯單元連接段布置螺栓。避免尺寸過小而出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，連接段和核心段的截面尺寸不宜相差過大，故內(nèi)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(nèi)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(shù)值分析計(jì)算中，支撐的連接是按理想鉸接考慮的。然而，在實(shí)際工程中，完全理想的鉸鏈接是不存在的。同時(shí)，為了保證防屈曲支撐連接處的穩(wěn)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(dá)到全截面屈服，受壓荷載均能達(dá)到內(nèi)芯單元屈服荷載。故當(dāng)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(gòu)造形式。對約束比較小的防屈曲支撐，端部采用理想剛接時(shí)，其受力性能較理想鉸接有一定提高。

4 結(jié)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(shù)和性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)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(huán)所包絡(luò)的面積依次增大。

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

（3）對于內(nèi)芯單元寬厚比，隨著內(nèi)芯單元寬厚比的增大防屈曲支撐會(huì)出現(xiàn)一定程度的屈服滯后現(xiàn)象，而影響防屈曲支撐的低周疲勞性能，故內(nèi)芯單元的寬厚比不宜過大；同時(shí)，為滿足內(nèi)芯單元連接段構(gòu)造要求，避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，內(nèi)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(gòu)件初始缺陷和連接剛性，當(dāng)約束比越小，對防屈曲支撐的力學(xué)性能影響越顯著，當(dāng)約束比滿足一定條件后，兩者對支撐承載力性能影響不大。

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