變截面鋼支撐滯回性能研究

劉洪波,曹正旺,邵永松,劉曉麗,柳艷杰

(1．黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，哈爾濱 150090;3．黑龍江省民族職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150066)

變截面鋼支撐滯回性能研究

劉洪波1,2,曹正旺1,邵永松2,劉曉麗3,柳艷杰1

(1．黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，哈爾濱 150090;3．黑龍江省民族職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150066)

為改善鉸接鋼支撐受壓穩(wěn)定性從而提高受壓承載力，將支撐設(shè)計成兩端小中間大的變截面構(gòu)件，通過增大支撐中部截面尺寸，使支撐在受壓時塑性區(qū)域向兩端外移，形成更大范圍的塑性區(qū)，更有利于其在地震作用下的耗能。利用有限元分析方法研究工形截面、方鋼管截面和圓鋼管截面的變截面支撐的滯回性能。研究表明在保證支撐構(gòu)件滿足規(guī)范要求的寬厚比前提下，支撐長細(xì)比和楔率是影響變截面支撐滯回性能的主要因素，變截面支撐初始軸向剛度、承載能力、耗能性能隨楔率增大而增大。

鋼支撐；變截面；滯回性能

0 引 言

鋼支撐體系由于其構(gòu)造簡單，可有效地限制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，是建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中一種最常見的，在多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用廣泛。鋼支撐根據(jù)支撐軸線是否通過梁柱交點(diǎn)又分為中心支撐和偏心支撐。中心支撐可為鋼框架提供較大抗側(cè)剛度，有效限制結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向變形，但是中心支撐容易發(fā)生受拉屈服和受壓失穩(wěn)，支撐失穩(wěn)后承載力快速降低，支撐無法繼續(xù)承擔(dān)荷載，同時也不利于結(jié)構(gòu)的耗能[1]；偏心支撐同時具有良好的延性和耗能能力，但在地震作用下只有耗能梁段處能發(fā)揮其非線性行為，使得耗能梁段變形大，震后結(jié)構(gòu)維護(hù)困難，同時耗能梁段計算復(fù)雜[2]。

本文根據(jù)鉸接鋼支撐在小偏心受壓時桿中彎矩和變形最大、桿端彎矩和變形為零[3]的受力特點(diǎn)提出一種受力明確、構(gòu)造簡單的變截面全鋼中心支撐，并對其滯回性能進(jìn)行研究，分析其承載能力與耗能能力。

1 建立有限元模型

研究支撐滯回性能的模型主要分為：塑性鉸模型、現(xiàn)象學(xué)模型、有限元模型[4]。由于塑性鉸方法和現(xiàn)象學(xué)方法無法考慮支撐截面尺寸沿軸線方向的變化，為研究變截面支撐的抗震性能，本文利用ANSYS有限元程序?qū)?種截面形式變截面支撐(工形截面、方鋼管截面和圓鋼管截面)在低周循環(huán)荷載作用下的受力性能進(jìn)行研究，研究支撐屈曲后承載力及支撐耗能。在進(jìn)行變截面支撐滯回性能研究時，控制端部截面相同，通過改變楔率，研究楔率對變截面支撐滯回性能的影響，研究不同楔率變截面支撐在低周循環(huán)荷載作用下的受力性能[5]。本文采用均勻增幅位移加載方式來研究變截面支撐的滯回性能。定義γ為變截面支撐的楔率，由下式計算：

式中b1、b0分別為支撐中部截面、端部截面翼緣寬度。

利用ANSYS有限元分析軟件中SHELL181單元建立不同參數(shù)的變截面支撐模型，選用Q235鋼材，彈性模量E=2.06×105MPa，切線模量Es t=0.02E，屈服應(yīng)力σy=235 MPa，泊松比ν=0.3，采用雙線性隨動強(qiáng)化法則及Von Mises屈服準(zhǔn)則，按照構(gòu)件在第一局部屈曲模態(tài)下的屈服形式，對支撐中部施加截面外徑1/1 000的局部初始缺陷，按照構(gòu)件在第一整體屈曲模態(tài)下的屈服形式，對模型整體施加支撐長度1/1 000的整體初始缺陷。由于構(gòu)件殘余應(yīng)力僅影響滯回曲線中初次受壓的最大值，隨后由于支撐被反復(fù)受壓屈曲和拉直屈服，構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布，使殘余應(yīng)力不再影響支撐的滯回性能[6]。因此，本文不考慮殘余應(yīng)力的影響。

2 變截面支撐滯回性能研究

2.1 工形變截面支撐滯回性能

利用ANSYS有限元分析軟件模擬工字形變截面支撐在低周循環(huán)荷載作用的受力，比較端部截面相同時變截面支撐的滯回性能[7]。共選取了4個截面，構(gòu)件截面尺寸見表1，其中H-1為等截面支撐，H-2、H-3、H-4為變截面支撐。

表1 工形變截面支撐構(gòu)件幾何參數(shù)表

構(gòu)件在低周循環(huán)荷載作用下的滯回曲線見圖1。圖1橫坐標(biāo)為支撐端部軸向位移Δ與支撐單調(diào)加載達(dá)極限荷載時端部位移Δy的比值，縱坐標(biāo)為荷載P與支撐端部全截面屈服荷載Poy的比值(受壓為正)，虛線為單調(diào)加載曲線。

圖1 H組試件滯回曲線Fig.1 Hysteretic curves of H groups

由圖1可見，在彈性范圍內(nèi)，滯回環(huán)面積幾乎為零，支撐不參與耗能；支撐構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，支撐因塑性變形逐漸開始耗能，每級荷載循環(huán)3次后支撐承載力趨于穩(wěn)定，且支撐強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增多有所降低。

試件承載力經(jīng)多次循環(huán)加載后相比單調(diào)加載均有所降低；拉應(yīng)力狀態(tài)下，由于構(gòu)件未發(fā)生平面外位移，支撐軸向剛度幾乎沒有發(fā)生變化；壓應(yīng)力狀態(tài)下，由于構(gòu)件發(fā)生側(cè)向變形，支撐軸向剛度隨加載幅值的增大而逐漸變小，當(dāng)壓應(yīng)力卸載完畢后逐步施加拉應(yīng)力，支撐軸向剛度隨拉應(yīng)力的增大逐漸恢復(fù)。

各試件滯回環(huán)總面積見圖2。圖2橫坐標(biāo)為循環(huán)加載圈數(shù)，縱坐標(biāo)為滯回曲線累計面積(無量綱)。

圖2 H組試件滯回環(huán)面積Fig.2 Hysteretic loop area of H groups

由圖2可見，滯回環(huán)面積隨著加載圈數(shù)增多而增大，說明支撐耗能逐漸增多；當(dāng)加載圈數(shù)相同時隨楔率增大，滯回環(huán)面積逐步增大。

2.2 方鋼管變截面支撐滯回性能

與工字形變截面支撐滯回性能研究方法相似，方鋼管變截面支撐的滯回性能同樣使用ANSYS有限元分析軟件[8]，模擬方鋼管變截面支撐在低周循環(huán)荷載作用下的受力，比較端部截面尺寸相同時變截面支撐的滯回性能。共選取了4個截面，構(gòu)件截面尺寸見表2，其中F-1、F-3、F-4為變截面支撐，F(xiàn)-2為等截面支撐。

方鋼管變截面支撐試件在低周循環(huán)荷載作用下的滯回曲線見圖3。圖3滯回曲線受壓為正，虛線為單調(diào)受壓加載曲線。

表2 方鋼管變截面支撐構(gòu)件幾何參數(shù)表

圖3 F組試件滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of F groups

觀察滯回曲線可知，與工形變截面支撐相似，方鋼管變截面支撐的滯回曲線特征：幅值相同時，支撐承載力隨加載圈數(shù)增多而降低；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，與支撐初始軸向剛度相比，支撐軸向剛度基本未變，在壓應(yīng)力狀態(tài)下，支撐軸向剛度有所降低；變截面支撐承載力隨著楔率增大逐漸提高，且其滯回曲線逐漸飽滿。

各試件滯回環(huán)總面積見圖4。圖4橫坐標(biāo)為循環(huán)加載圈數(shù)，縱坐標(biāo)為滯回曲線累計面積(無量綱)。

觀察圖4中曲線可見：循環(huán)加載圈數(shù)相同時，變截面支撐累計耗能相比等截面支撐大幅提高，且隨楔率增大，變截面支撐耗能能力越強(qiáng)，例如：當(dāng)楔率均為0.5時，F(xiàn)-3試件相比F-2試件耗能提高93.41%。

2.3 圓鋼管變截面支撐滯回性能

選取不同截面參數(shù)的圓鋼管變截面支撐與等截面支撐，研究其在低周循環(huán)荷載作用下的受力性能[9]，試件截面參數(shù)見表3。表3中組別Y-1、Y-3、Y-4為變截面試件，Y-2為等截面試件。

2.3.1 滯回曲線

圓鋼管變截面支撐荷滯回曲線見圖5。圖5受壓為正，虛線為單調(diào)受壓加載曲線。

圖4 F組試件滯回環(huán)總面積Fig.4 Hysteretic loop area of F groups

表3 圓鋼管變截面支撐構(gòu)件幾何參數(shù)表

圖5 Y組試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of Y groups

由圖5可見：與工字形變截面支撐、方鋼管變截面支撐相似，圓鋼管變截面支撐滯回曲線具有以下特征：加載幅值相同時，隨加載圈數(shù)增多支撐承載力降低；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，與支撐初始軸向剛度相比，支撐軸向剛度基本未變；在壓應(yīng)力狀態(tài)下，支撐軸向剛度較初始軸向剛度；變截面支撐承載力隨著楔率增大逐漸提高，且其滯回曲線逐漸飽滿[10]。

各試件滯回環(huán)總面積見圖6。圖6橫坐標(biāo)為循環(huán)加載圈數(shù)，縱坐標(biāo)為滯回曲線累計面積(無量綱)。

圖6 Y組試件滯回環(huán)總面積Fig.6 Hysteretic loop area of Y groups

由圖6可見：循環(huán)加載圈數(shù)一定時，支撐總耗能隨楔率增大而逐漸增多；楔率一定時，小長細(xì)比變截面試件總耗能較等截面試件提高，例如：當(dāng)楔率均為0.5時，Y-3試件較Y-2試件提高78.55%。

3 結(jié) 論

本文研究了3種截面形式(工字型、方鋼管、圓鋼管)的變截面支撐在低周往復(fù)循環(huán)荷載作用下的受力性能，比較長度及端部截面尺寸相同時不同

楔率變截面支撐的滯回性能，并得到以下結(jié)論：

1)在滿足規(guī)范要求的支撐板件寬厚比前提下，支撐楔率及長細(xì)比是影響變截面支撐滯回性能的主要因素。

2)構(gòu)件長度、端部截面尺寸相同時，隨楔率不斷增大，變截面支撐初始軸向剛度逐步增大；在循環(huán)荷載作用下，變截面支撐承載力相比等截面支撐大幅提高，其能量耗散能力大為改善，且隨著楔率增大耗能能力更強(qiáng)；在滿足支撐平面外穩(wěn)定的前提下，楔率范圍可擴(kuò)展更大，楔率甚至可大于1。

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Hysteretic behavior of variable cross-section steel brace

LIU Hong-Bo1,2,CAO Zheng-Wang1,SHAO Yong-Song2,LIU Xiao-Li3,LIU Yan-Jie1

(1．College of Civil Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China;2．The Architectural Design and Research Institute of Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;3．Heilongjiang Vocational College for Nationalities，Harbin 150066，China)

In order to strengthen the stability of the steel braced frame with pinned connections thus enhance the bearing capacity，the braces were designed in variable cross section which great in the middle and little at both ends.It has been noticed that the expansion of the middle section area making the braces plastic zone shifted towards both ends under the force of pressure.As a result，a larger plastic zone formed.The I-section，circular hollow and rectangular hollow variable cross-section braces hysteretic behavior was investigated by finite element method.The results indicate that in braces width-thickness ratio meets standard requirements，the main factors affecting variable cross-section braces hysteretic behavior are the slenderness ratio and the wedge ratio.Wedge ratio is the larger，capacity of initial axial rigidity，carrying capacity and energy dissipation are the better.

steel brace；variable cross-section；hysteretic behavior

10.13524/j.2095-008x.2015.02.019

2014-11-13;

2014-12-06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531482)；黑龍江大學(xué)杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(JCL201104)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20110491076)

劉洪波(1976-)，男，黑龍江雞東人，教授，博士，研究方向：高層鋼結(jié)構(gòu)和建筑智能材料，E-mail:interdage@163.com。

TU973.13

A

2095-008X(2015)02-0001-06