自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架的抗震性能分析

譚燕秋，王朋飛，霍立超，王 帥

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

自20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在防屈曲支撐已經(jīng)歷了40余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種技術(shù)基本成熟、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)完備的抗側(cè)力耗能減震裝置。在中震或大震作用下，防屈曲支撐在拉壓時(shí)均能實(shí)現(xiàn)全截面屈服，而不出現(xiàn)支撐構(gòu)件整體或局部屈曲破壞，從而耗散地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免遭破壞。但是，防屈曲支撐是通過自身發(fā)生彈塑性變形來耗散地震能量的，結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震后勢必會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形。對(duì)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(huì)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重影響［1］。孫飛飛等人研究了自復(fù)位減震結(jié)構(gòu)的自位復(fù)性能［2］。C.Christopoulos、Robert Tremblay［3］等人于2008年研發(fā)出自復(fù)位防屈曲支撐，并將其運(yùn)用到鋼框架中進(jìn)行研究。劉璐、吳斌［4］等人對(duì)自復(fù)位防屈曲支撐做了擬靜力試驗(yàn)。研究表明:自復(fù)位防屈曲支撐具有復(fù)位和耗能的雙重特性，可以明顯減小結(jié)構(gòu)震后的殘余變形。

本文采用通用有限元軟件ANSYS對(duì)自復(fù)位防屈曲支撐剛接鋼框架、防屈曲支撐剛接鋼框架和鋼框架進(jìn)行罕遇地震作用下的抗震性能對(duì)比分析，研究自復(fù)位防屈曲支撐在頂點(diǎn)位移、層間位移角、殘余變形等地震響應(yīng)方面的優(yōu)越性。

1 自復(fù)位防屈曲支撐構(gòu)造原理

1.1 自復(fù)位防屈曲支撐的構(gòu)造

自復(fù)位防屈曲支撐的支撐構(gòu)件為內(nèi)、外兩個(gè)方鋼管。內(nèi)管和外管的端部各有一個(gè)連接板，用于與結(jié)構(gòu)相連接。如圖1所示，左端的連接板穿過左端板的槽孔與內(nèi)管焊接固定，右端的連接板與外管焊接固定。外管的中段開有槽孔，內(nèi)管的摩擦板穿過外管的槽孔與外管的摩擦板用高強(qiáng)螺栓相接，在高強(qiáng)螺栓上施加設(shè)定的預(yù)緊力。四根1 860 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼絞線錨固在左右端板上，通過端板將預(yù)應(yīng)力傳遞給內(nèi)管和外管，也使支撐形成一個(gè)整體。在內(nèi)管和外管之間設(shè)置導(dǎo)塊，保證支撐的運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生過大偏移。

1.2 自復(fù)位防屈曲支撐的工作原理

當(dāng)施加在自復(fù)位防屈曲支撐兩端的外荷載P小于鋼絞線的預(yù)應(yīng)力P0與內(nèi)、外鋼管之間的摩擦力F之和時(shí)，即0＜P≤P0+F時(shí)，內(nèi)、外鋼管之間不發(fā)生相對(duì)位移，摩擦板不耗能;隨著外荷載的增大，當(dāng)P＞P0+F時(shí)，內(nèi)、外鋼管發(fā)生相對(duì)位移，摩擦板開始耗能;接著外荷載P逐漸減小，當(dāng)P0－F≤P≤P0+F時(shí)(P0≈1.2F)，摩擦板之間的摩擦力反向，不耗能;當(dāng)P＜P0－F時(shí)，內(nèi)、外鋼管發(fā)生相對(duì)位移，支撐逐漸復(fù)位至初始狀態(tài)，摩擦板耗能。在支撐兩端施加拉、壓荷載其耗能及復(fù)位效果相同。

2 ANSYS計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型為七層五榀兩跨的框架－支撐體系，自復(fù)位防屈曲支撐自底層至頂層連續(xù)布置在第二、第四榀框架中，框架層高3.6 m，跨距7.5 m，模型如圖2所示。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［5］。

2.1 自復(fù)位防屈曲支撐滯回模型的建立

自復(fù)位防屈曲支撐的滯回模型為旗形滯回模型，如圖3(a)所示，但在ANSYS中沒有這種特殊材料的本構(gòu)模型，因此不能直接建立其滯回模型。本文從自復(fù)位防屈曲支撐的力學(xué)特性入手，將其滯回模型分解為雙折線彈性模型和純摩擦彈塑性模型兩個(gè)部分，分別如圖3(b)、3(c)所示。分解后的兩種模型都可以用ANSYS中現(xiàn)有的材料模型進(jìn)行模擬，再將這兩種單元疊加在一起就得到了自復(fù)位防屈曲支撐的滯回模型［6］。對(duì)模型(材料特性及相關(guān)參數(shù)見2.2)施加圖4所示的載荷步，得到的滯回曲線如圖5所示。

鋼框架的梁、柱均采用BEAM188單元模擬，支撐均采用LINK8單元模擬，樓板采用SHELL63單元模擬。

2.2 材料特性及相關(guān)參數(shù)

鋼框架的梁、柱均采用經(jīng)典雙線性隨動(dòng)硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度205 MPa，強(qiáng)化模量Est=4 120 MPa，密度7 850 kg/m3，柱截面為HW400×400×13×21 mm，梁截面為HN600×300×11×17 mm。

自復(fù)位防屈曲支撐由兩個(gè)LINK8單元疊加模擬，其一為多彈性材料模型，彈性模量E=1.3×106MPa，泊松比0.3，兩組應(yīng)變點(diǎn)和應(yīng)力點(diǎn)分別是0.000 3 和390 MPa、0.01 和1 950 MPa;其二為雙線性隨動(dòng)硬化材料模型，彈性模量E=1.2×106 MPa，泊松比 0.3，屈服強(qiáng)度 360 MPa，強(qiáng)化模量Est=0，密度7 850 kg/m3，兩個(gè)LINK8單元截面實(shí)常數(shù)均為 0.001 m2，長度 8.32 m。

防屈曲支撐由一個(gè)LINK8單元模擬，為雙線性隨動(dòng)硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 0.3，屈服強(qiáng)度 345 MPa，強(qiáng)化模量Est=6 589 MPa，密度7 850 kg/m3，單元截面實(shí)常數(shù)為0.002 2 m2。長度8.32 m。

樓板為各向同性彈性材料模型，彈性模量E=3.0 ×104MPa，泊松比 0.3，板厚 0.15 m，密度 2 500 kg/m3。

2.3 邊界條件及地震波的施加

各柱腳結(jié)點(diǎn)與地基固接，梁、柱結(jié)點(diǎn)為剛接，支撐與梁、柱結(jié)點(diǎn)通過自由度耦合的方式進(jìn)行鉸接。

樓面均布活荷載2 kN/m2，重力加速度9.81 m/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 0.01 s，持續(xù)時(shí)間 19.19 s。要得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的地震響應(yīng)，需將地震波記錄峰值調(diào)幅為400 cm/s2，調(diào)幅后的地震波如圖6所示。為得到結(jié)構(gòu)震后的殘余變形，在調(diào)幅后的地震波記錄中添加持時(shí)20 s的零值加速度。

3 結(jié)果對(duì)比

3.1 對(duì)比準(zhǔn)則的建立

由于自復(fù)位防屈曲支撐和防屈曲支撐有共同特征，即它們都具有由第一剛度進(jìn)入第二剛度的屈服力，故選兩種支撐的屈服力(均為750 kN)為對(duì)比準(zhǔn)則［7］。

地震響應(yīng)以平行于支撐布置平面的第三榀框架梁、柱結(jié)點(diǎn)UX方向的位移為對(duì)比準(zhǔn)則。

3.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的對(duì)比

三種結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移響應(yīng)的對(duì)比，如圖7所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大位移的對(duì)比，如圖8所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角的對(duì)比，如圖9所示。

三種結(jié)構(gòu)各層最大殘余變形的對(duì)比，如圖10所示。

4 結(jié)論

自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架的頂點(diǎn)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。

［1］CHRISTOPOULOS C，PAMPANIN S，PRIESTLEY M J N.Performance－based seismic response of frame structures including residual deformations.PartⅠ:single－degree offreedom system［J］.Journal of Earthquake Engineering，2003，7(1):97 －118.

［2］譚燕秋，王穎欣.高層鋼結(jié)構(gòu)中BRC蹺動(dòng)技術(shù)的減震影響分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，30(1)1－5.

［3］C CHRISTOPOULOS，R TREMBLAY，H J KIM，M LACERTE.Self－centering energy dissipative bracing system for the seismic resistance of structures:development and validation［J］.Journal of Structural Engineering，2008，134(1):96－107.

［4］劉 璐，吳 斌，李 偉，等.一種新型自復(fù)位防屈曲支撐的擬靜力試驗(yàn)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(3):536－541.

［5］GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［7］宋子文.自復(fù)位耗能支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.