新型自恢復耗能支撐框架結構抗震性能分析

樊曉偉，徐龍河，逯登成

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

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新型自恢復耗能支撐框架結構抗震性能分析

樊曉偉，徐龍河，逯登成

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

摘要：提出了一種新型支撐構件——預壓彈簧自恢復耗能支撐（PS-SCEDB），對其構造形式及自恢復原理進行了介紹，并對采用預壓彈簧自恢復耗能支撐和普通防屈曲支撐（BRB）的20層Benchmark鋼框架結構的抗震性能進行了對比分析.結果表明，在具有不同PGA的3種地震波作用下，與BRB框架結構相比，PS-SCEDB框架結構層間位移角峰值、有效值及基底剪力均減小.此外，PS-SCEDB框架結構殘余變形相比原鋼框架結構減小了80%，相比BRB框架結構減小了50%，且PS-SCEDB具備良好的耗能能力和自恢復性能.

關鍵詞：自恢復耗能支撐；框架結構；防屈曲支撐；抗震性能；殘余變形

近年來，地震造成的社會和經濟問題使得結構抗震技術受到越來越多的關注.框架支撐體系在一定程度上解決了結構的抗側剛度問題，但是普通支撐在大震往復荷載作用下易造成自身和連接處的失效與破壞，同時支撐屈曲后耗能能力變差，難以有效耗散地震輸入能量.防屈曲支撐（buckling restrained brace，BRB）通過設置外圍約束元件克服了普通支撐構件易屈曲的缺點，從而提高了自身的耗能能力［1-2］.但是，BRB通過鋼材發(fā)生塑性變形來耗散地震能量，導致震后留有較大殘余變形，增大了后期加固修復難度.強烈地震下結構產生的過大側向變形及殘余變形正是結構破壞倒塌的直接原因，對于即將倒塌或可能經歷后續(xù)地震的結構，殘余變形會對其產生嚴重影響［3］，此外，當殘余變形角大于0.5% 時，結構修復成本大于重建成本，造成不必要的經濟損失［4］.

結構中設置自恢復耗能支撐能夠有效減小或消除殘余變形影響.Christopoulos等［5］和Tremblay等［6］分析了由預應力筋和摩擦裝置組成的新型自恢復耗能支撐在低周往復荷載作用下的滯回特性和設有該支撐的框架結構的地震響應，研究表明支撐展現(xiàn)出飽滿的旗形滯回曲線，在大震下自恢復耗能支撐框架的殘余變形幾乎為零.Miller等［7-8］對設有超彈性形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）桿的新型自復位防屈曲支撐進行了軸向拉伸試驗，結果表明該構件能夠展現(xiàn)出穩(wěn)定的旗形滯回曲線，具有有效的耗能能力和良好的自恢復能力，但施加于SMA金屬桿的預應力是結構震后殘余變形大小的決定性因素.Zhu等［9-11］結合擬靜力試驗和數(shù)值分析結果，驗證了所設計的兩種自恢復耗能支撐不僅具有與BRB相同的耗能能力，且在卸載后能夠消除殘余變形對結構的影響.

現(xiàn)有自恢復耗能支撐多采用預應力鋼筋或SMA金屬絲為構件提供足夠恢復力，SMA金屬絲不僅具有良好的自恢復性能，而且具備一定的耗能能力，但SMA金屬絲在變形后需要通過加熱使其恢復至變形前的狀態(tài)，性能受溫度影響較大，預應力鋼筋則存在變形性能有限等不足.本文提出了一種新型自恢復耗能支撐——預壓彈簧自恢復耗能支撐（pre-pressed spring self-centering energy dissipation brace，PSSCEDB），該支撐利用碟形彈簧為構件提供足夠恢復力的同時，滿足支撐所需的變形性能.將闡述PSSCEDB的構造方式及工作原理，并對設有PS-SCEDB 和BRB的框架結構的抗震性能進行對比分析.

1　預壓彈簧自恢復耗能支撐

1.1支撐構造

PS-SCEDB主要由內管、外管、碟形彈簧和摩擦裝置構成，如圖1所示.內外管用于傳遞外荷載，內管為圓形截面薄壁鋼管，在中間段焊接十字交叉鋼板用以提高支撐的承載能力和變形能力，外管為矩形截面薄壁鋼管.摩擦裝置的兩個摩擦板分別焊接在內外管上，高強螺栓穿過內外管及摩擦板的預留孔洞，對高強螺栓施加預拉力從而擠壓摩擦板，當內外管發(fā)生相對滑動時摩擦裝置耗散地震輸入的能量.碟形彈簧置于內管兩側，初始狀態(tài)下對彈簧施加預壓變形，彈簧預壓力及摩擦裝置中的摩擦力提供正常使用狀態(tài)下的支撐支持力.此外，內外管分別焊接擋塊及擋板用以擠壓連接彈簧擋板，連接彈簧擋板不與任何構件焊接，用以傳遞內外管施加于彈簧的外力，內外管在受拉或受壓的過程中，碟形彈簧始終保持受壓，恢復力隨內外管相對位移的增大而增大，確保了支撐的恢復性能.

圖1　PS-SCEDB配置Fig.1 Configuration of PS-SCEDB

1.2工作原理

PS-SCEDB在低周往復荷載作用下能夠體現(xiàn)出可重復的旗形滯回性能，如圖2所示，支撐在拉壓荷載作用下具有對稱性.

圖2　PS-SCEDB旗形滯回性能Fig.2 Flag-shape hysteretic performance of PS-SCEDB

當支撐受拉時，基于剛度變化支撐的力學性能分為4段.①開始加載至支撐內外管即將發(fā)生相對滑動階段（OA段），該階段支撐剛度主要由內、外管及彈簧剛度共同決定，設為K1，此階段為支撐正常使用狀態(tài)，能夠承受的最大荷載為摩擦裝置提供的摩擦力F0與預壓彈簧的預壓力P0之和；②內、外管發(fā)生相對滑動至最大位移階段（AB段），此時荷載P的增加只會引起碟形彈簧的內力變化，因此支撐的剛度主要由碟形彈簧決定，設為K2；③開始卸載至即將恢復階段（BC段），設卸載前荷載的最大值為Pmax，當P減小為Pmax-2F0時，內、外管開始發(fā)生相對滑動，支撐進入自恢復階段，當Pmax-2 F0＜P＜Pmax時，此時摩擦裝置中的摩擦力改變方向，內、外管并沒有發(fā)生相對滑動，此階段的剛度與OA段相同，即剛度為K1；④恢復開始至恢復完成階段（CO段），當P＜Pmax-2 F0時，內、外管再次發(fā)生相對滑動，支撐進入自恢復階段，荷載P的減小只會引起碟形彈簧內力的變化，故此階段剛度與BC段相同，即剛度為K2，完全卸載后，確保彈簧初始預壓力能夠克服摩擦裝置中的摩擦力即可實現(xiàn)支撐的零殘余變形.

利用ANSYS有限元分析軟件建立PS-SCEDB的實體單元模型，如圖3所示.該支撐全長2 m，外管為300 mm×300 mm×7 mm的矩形截面薄壁鋼管，內管為內徑56 mm、外徑70 mm的圓形截面薄壁鋼管，并在內管上焊接10 mm厚的十字交叉鋼板，以提高構件承載能力和變形能力.內、外管及十字交叉鋼板均采用Q235鋼材，其余擋板和擋塊采用Q345鋼材，摩擦系數(shù)取0.2.在圖4所示加載工況下，彈簧預壓力為260 kN、摩擦裝置提供摩擦力為250 kN時，PS-SCEDB的滯回曲線如圖5所示.旗形滯回曲線飽滿，具有一定的耗能能力，并且支撐在完全卸載后的殘余變形趨于0，具有良好的自恢復性能.

圖3　PS-SCEDB有限元模型Fig.3 Finite element model of the PS-SCEDB bracing system

圖4　加載方案Fig.4 Loading scheme

圖5　PS-SCEDB滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of the PS-SCEDB

2　支撐框架結構抗震性能對比分析

圖6　鋼框架模型結構立面圖Fig.6 Elevation of steel frame model structure

2.1Benchmark鋼框架模型

采用20層Benchmark鋼框架結構模型［12］，分別設置PS-SCEDB和BRB，輸入El-Centro波、Taft波和Tianjin波3條地震波，加速度峰值（PGA）分別調整到0.2g、0.4g和0.6g進行抗震性能對比分析.結構平面尺寸為30.5 m×36.6 m，x方向5跨，y方向6跨，各跨間距6.1 m.原結構地上20層，地下兩層，本文只取地上部分進行建模.首層層高5.49 m，標準層層高均為3.96 m，總高80.73 m，結構立面圖如圖6所示.支撐與鋼框架鉸接，采用人字形布置，只在y方向第1、2、4、6、7榀布置支撐，沿各層通高布置.采用有限元軟件ANSYS建模分析，利用Beam188單元模擬梁柱構件，Shell63單元模擬樓板，Link8單元模擬支撐構件，有限元模型如圖7所示.現(xiàn)有ANSYS軟件中沒有滿足PS-SCEDB這種特殊旗形滯回特性的材料本構模型，故本文采用雙折線彈性模型和純摩擦的彈塑性滯回模型相疊加進行模擬，疊加滯回曲線與PS-SCEDB實體單元模擬滯回曲線基本一致，可有效反映PS-SCEDB在框架結構中的滯回特性.

圖7　支撐框架有限元模型Fig.7 Finite element model of braced frame

2.2抗震性能評估指標

選用結構響應評估指標J1～J6對設有PSSCEDB和BRB的框架結構抗震性能進行評估.J1、 J2、 J3分別依據(jù)層間位移角峰值、層加速度峰值和基底剪力峰值計算所得，即

式中：di（t）為每個地震工況下結構層間位移隨時間變化值；hi為相關層層高；δmax為純鋼框架結構地震作用下最大層間位移角，和分別為地震作用下設有支撐框架結構和純鋼框架結構的第i層絕對加速度；mi為結構第i層質量；為每個地震工況下純鋼框架結構的最大基底剪力.

J4、 J5、 J6分別是基于結構的層間位移角有效值、層加速度有效值和基底剪力有效值計算所得，其表達式為

式中tf為地震作用持續(xù)時間.

2.3抗震性能評估與分析

2.3.1結構響應控制與分析

PS-SCEDB與BRB采用相同“屈服力”原則設計，“屈服力”指支撐由第1剛度進入第2剛度時所對應的力.表1和表2分別為PS-SCEDB框架和BRB框架的結構響應評估指標J1～J6.從兩表中可看出，PS-SCEDB框架在PGA分別為0.2g、0.4g和0.6g 的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下結構層間位移角峰值評估指標J1位于0.537～0.937之間；有效值評估指標J4位于0.589～0.773之間.而BRB框架在不同強度的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下結構層間位移角峰值評估指標J1位于0.675～0.981之間；有效值評估指標J4位于0.710～0.832之間.不同強度地震輸入下，兩框架結構的J1和J4均小于1，說明PS-SCEDB框架與BRB框架受地震作用產生的層間位移響應均小于純鋼框架，PS-SCEDB 和BRB對純鋼框架結構的位移響應起到了很好的控制作用，且PS-SCEDB框架的J1和J4數(shù)值變化范圍小于BRB框架，說明PS-SCEDB對層間位移角峰值及有效值的控制好于BRB.

PS-SCEDB框架和BRB框架在PGA分別為0.2g、0.4g和0.6g的3種地震波作用下，結構加速度峰值評估指標J2分別位于0.925～1.238和0.956～1.167之間，有效值評估指標J5分別位于0.983～1.175和1.00～1.094之間，設置支撐后，結構層剛度增加，PS-SCEDB與BRB一樣會使純鋼框架結構加速度響應出現(xiàn)不同程度的放大.此外，PS-SCEDB框架和BRB框架在不同強度的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下結構基底剪力峰值評估指標J3分別位于0.954～0.988和1.00～1.027之間，有效值評估指標J6分別位于0.935～0.965和0.975～1.015之間，說明PS-SCEDB使純鋼框架結構及BRB框架結構的基底剪力得到一定程度的減小.

表1　PS-SCEDB框架結構響應評估指標計算值Tab.1 Evaluation criteria values of building responses of PS-SCEDB frame

表2　BRB框架結構響應評估指標計算值Tab.2 Evaluation criteria values of building responses of BRB frame

表3　PS-SCEDB框架層間位移角減小值Tab.3 Reduction values of interstory drift of PS-SCEDB frame

表3列出了PS-SCEDB框架層間位移角相對純鋼框架和BRB 框架的減小值，圖8為PGA=0.6g時El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下純鋼框架、PS-SCEDB框架和BRB框架結構層間位移角變化曲線.從表3和圖8可看出，BRB框架和PS-SCEDB框架在PGA=0.6g的3種地震波作用下的最大層間位移角峰值分別1/118和1/123，均小于抗震規(guī)范中“消能減震結構的層間彈塑性位移角限值1/80”的要求，能夠達到抗震設計中關于“大震不倒”的設防目標，且地震作用時，相比BRB框架，PS-SCEDB框架的層間位移角峰值更小.不同PGA的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下，同純鋼框架相比，PSSCEDB框架層間位移角峰值減小6.3%～46.3% ，有效值減小22.7% ～41.1% ；同BRB框架相比，PSSCEDB框架層間位移角峰值減少4.4% ～22.2% ，有效值減少7.0% ～18.0% .說明PS-SCEDB框架結構無論是柱子、支撐或是非結構構件的變形都將更小，可更好地保護構件安全.

圖8　PGA=0.6g時不同地震波作用下各框架結構層間位移角變化曲線Fig.8 Variation curves of interstory drift of each frame under different earthquakes when PGA=0.6g

對于純鋼框架，若要減小結構在大震下的變形，增強結構抗震性能，多采用加大梁柱截面尺寸的方式，使其接近彈性，但同時結構總體建筑費用增加.在不增加主體結構截面尺寸前提下有效控制結構震中變形，提高抗震性能，PS-SCEDB更加經濟適用. 與BRB相比，在結構初始條件相同且支撐具有相同“屈服力”的前提下，PS-SCEDB對層間位移角的控制更好，有利于保護主體結構及非結構構件安全.

2.3.2殘余變形控制與分析

地震作用下PS-SCEDB與BRB消耗地震輸入能量以保護結構主體安全，但BRB進入塑性耗能使得震后結構留有較大殘余變形，而PS-SCEDB通過摩擦裝置耗能后，碟形彈簧起自恢復作用，達到減小結構殘余變形的目的.圖9（a）和（b）分別為PGA= 0.4g和PGA=0.6g時El-Centro波作用下結構頂層位移時程曲線.由圖可知：在PGA=0.4g的El-Centro作用下，純鋼框架結構震后殘余變形為25.8 mm，BRB框架結構震后殘余變形為10.5 mm，PS-SCEDB框架結構震后殘余變形僅為5.4 mm，比純鋼框架結構減少79.1% ，比BRBF減少48.6% ；在PGA=0.6g的El-Centro波作用下，PS-SCEDB框架震后殘余變形僅為7.5 mm，相比純鋼框架減少80.7% ，比BRB框架減少55.6% ，說明中小地震作用時，PS-SCEDB具備良好的自恢復性，可有效減小結構殘余變形影響，直至地震強度過大導致PS-SCEDB碟形彈簧失效，失去自恢復功能，但PS-SCEDB仍能發(fā)揮一定耗能作用，減小結構損傷.

圖9　El-Centro波作用下結構頂層位移時程曲線Fig.9 Roof displacement time history of structure due to El-Centro earthquake

3　結 論

本文提出了一種新型自恢復耗能支撐，對其構造及工作原理進行了介紹，并對比分析了采用PSSCEDB和BRB的框架結構的抗震性能，所得結論如下.

（1）在不同PGA框架的3種地震波作用下，同純鋼框架相比，PS-SCEDB框架結構層間位移角峰值最大減小46.3% ，有效值最大減小41.1% ，相比BRB框架，PS-SCEDB框架層間位移角峰值最大減小22.2% ，有效值最大減小18.0% ，說明PS-SCEDB對純鋼框架的層間位移角峰值及有效值起到了有效控制，且控制要好于BRB.不同強度地震作用時，PSSCEDB使純鋼框架及BRB框架結構的基底剪力得到一定程度的減小且與BRB一樣會使純鋼框架結構加速度響應出現(xiàn)不同程度的放大.

（2）地震作用時，PS-SCEDB的摩擦裝置通過摩擦耗散地震能量的同時，碟形彈簧起自恢復作用，減小結構殘余變形.中小地震作用下，PS-SCEDB框架結構殘余變形相比純鋼框架減小80% ，相比BRB框架減小50% ，說明PS-SCEDB使純鋼框架及BRB框架結構的震后殘余變形得到了有效控制，具備良好的自恢復性能.

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（責任編輯：樊素英）

Seismic Performance Analysis of New Self-Centering Energy Dissipation Braced Frame Structure

Fan Xiaowei，Xu Longhe，Lu Dengcheng
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Abstract：A new type of bracing device，pre-pressed spring self-centering energy dissipation brace（PS-SCEDB），is proposed in this paper，and the configuration and self-centering mechanics of this system are described. Furthermore，using a 20-story benchmark steel frame structure as numerical example，comparisons of the seismic performances between structure with PS-SCEDBs and structure with buckling restrained braces（BRBs）are conducted. Results indicate that the peak interstory drift，the normed interstory drift，and the base shear of frame structure with PS-SCEDBs are all obviously reduced compared with those of structure with BRBs due to three kinds of earthquake records with different PGAS. Additionally，the residual deformations of frame structure with PS-SCEDBs are reduced by 80% compared with the original frame structure，and 50% compared with the frame structure with BRBs，and the PS-SCEDB system exhibits full hysteretic performances with good energy dissipation capacity and selfcentering behavior.

Keywords：self-centering energy dissipation brace；frame structure；buckling restrained brace；seismic performance；residual deformation

中圖分類號：TU352

文獻標志碼：A

文章編號：0493-2137（2016）04-0385-07

DOI:10.11784/tdxbz201409013

收稿日期：2014-09-09；修回日期：2014-12-08.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51322806）；北京交通大學基本科研業(yè)務費（2015YJS110）.

作者簡介：樊曉偉（1991— ），男，博士生，15115317@bjtu.edu.cn.

通訊作者：徐龍河，lhxu@bjtu.edu.cn.