談防屈曲支撐工作機(jī)理及穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法★

候召 陳麒丞 胡琤永 程卓 候善萌 高澤寧 魯軍凱

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

防屈曲支撐是一種兼顧普通支撐和金屬阻尼器雙重功能的新型支撐。因其具有良好的延性性能及穩(wěn)定的滯回性能，近年來已經(jīng)在世界各國建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于支撐內(nèi)芯外圍約束構(gòu)件的約束作用，支撐內(nèi)芯可以在拉壓作用下均實(shí)現(xiàn)屈服耗能而不發(fā)生構(gòu)件的失穩(wěn)破壞，因此這種支撐既能在小震下給主體結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，又能在中震及大震作用下利用支撐內(nèi)芯的塑性變形消耗地震能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)損傷控制并保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在地震作用下免受嚴(yán)重?fù)p傷。而如何準(zhǔn)確地揭示防屈曲支撐工作機(jī)理，提出全面合理的支撐穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法顯得尤為重要。

1 防屈曲支撐工作機(jī)理

如圖1所示，一個典型的防屈曲支撐主要由支撐內(nèi)芯、約束構(gòu)件以及二者之間的無粘結(jié)層或間隙組成。其中支撐內(nèi)芯主要承受軸力作用，并利用其塑性變形消耗地震能量;約束構(gòu)件通過提供抗彎剛度及抗彎承載力抑制支撐發(fā)生側(cè)向失穩(wěn);無粘結(jié)層或間隙的作用是減少內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的摩擦，并提供給支撐內(nèi)芯在受壓作用下由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生的膨脹變形的空間。對于設(shè)計(jì)合理的防屈曲支撐，隨著支撐軸力的增加，防屈曲支撐內(nèi)芯將從低階屈曲模態(tài)逐漸發(fā)展為高階模態(tài)。但是如果支撐外圍約束構(gòu)件強(qiáng)度不足時，將會發(fā)生約束構(gòu)件的整體或局部失穩(wěn)，其中，約束構(gòu)件的整體失穩(wěn)是由于其抗彎承載力小于其承受的彎矩，約束構(gòu)件的局部失穩(wěn)則是由于內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的局部擠壓力產(chǎn)生的作用效應(yīng)超過了外圍約束構(gòu)件的抗鼓曲承載力。而當(dāng)支撐內(nèi)芯外伸段控制截面的軸力—彎矩響應(yīng)超過其極限承載力時，支撐外伸段將發(fā)生平面內(nèi)或平面外失穩(wěn)。

圖1 防屈曲支撐構(gòu)造及其典型屈曲破壞模式

2 防屈曲支撐整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法

如圖2所示，日本學(xué)者Usami等［1］針對全鋼防屈曲支撐，考慮支撐約束構(gòu)件的初始撓度，內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間間隙及支撐兩端加載點(diǎn)的相對偏心距等影響，將支撐內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的作用力為均布荷載，并通過推導(dǎo)給出支撐約束構(gòu)件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:

其中，a為約束構(gòu)件的初始缺陷;s為內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間間隙;e為支撐端部力作用點(diǎn)處的初始偏心距;Ncu為支撐最大軸向壓力;NBcr為約束構(gòu)件的彈性屈曲臨界力;MBy為約束構(gòu)件的屈服彎矩。但是，在其提出的力學(xué)模型中，忽略了支撐內(nèi)芯外伸段的影響，并假設(shè)約束構(gòu)件的邊界條件為鉸支，而且這種將間隙、偏心距直接疊加到約束構(gòu)件的初彎曲上計(jì)算彎矩響應(yīng)的做法并不能真實(shí)地反映內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)作用。

圖2 Usami等提出的支撐模型[1]

針對防屈曲支撐連接段的平面外穩(wěn)定問題，Koetaka等［2］及 Takeuchi等［3］展開了系列研究。在其研究中，將支撐構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)板以及與節(jié)點(diǎn)板附近的梁柱節(jié)點(diǎn)域統(tǒng)一視為一個支撐系統(tǒng)，并假設(shè)支撐端部存在一個可以傳遞彎矩的塑性鉸，因此該方法可以考慮支撐節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動以及支撐內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的相對轉(zhuǎn)動對支撐受力性能的影響。該方法進(jìn)一步揭示了實(shí)際結(jié)構(gòu)中支撐的工作機(jī)理，但是并不能考慮內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的相互作用以及支撐內(nèi)芯剛度對支撐受力性能的影響。

鑒于此，作者認(rèn)為對于支撐整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法的研究應(yīng)著重考慮以下內(nèi)容:實(shí)際工程中，防屈曲支撐與主體結(jié)構(gòu)通常采用螺栓、焊接連接以及銷軸連接，而螺栓或焊接連接的防屈曲支撐邊界條件更接近于固接，銷軸連接支撐則接近于鉸接，如何考慮不同支撐邊界條件對支撐整體穩(wěn)定的影響需要進(jìn)一步研究;現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法忽略了支撐內(nèi)芯耗能段剛度，但實(shí)際上支撐內(nèi)芯屈服后仍具有一定剛度，如何考慮內(nèi)芯耗能段屈服后剛度對支撐受力性能及變形模式的影響仍需進(jìn)一步探討。

3 防屈曲支撐局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法

防屈曲支撐另一種主要的破壞模式是局部失穩(wěn)破壞，研究發(fā)現(xiàn)［4-6］，該類破壞的本質(zhì)是隨著支撐軸力的增加，內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的局部擠壓力產(chǎn)生的作用效應(yīng)超過了外圍約束構(gòu)件的抗鼓曲承載力。其中，Wei等［4］基于支撐約束構(gòu)件內(nèi)的混凝土的剛度確定支撐內(nèi)芯的局部穩(wěn)定臨界力，并給出支撐的局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但是該方法沒有考慮支撐內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間間隙的影響，而且也沒有考慮支撐外套管對局部穩(wěn)定的影響。Takeuchi等［5］與 Lin等［6］則將支撐內(nèi)芯視為一個無約束壓桿，并基于歐拉臨界力公式確定內(nèi)芯與約束構(gòu)件間局部擠壓力。然而，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，由于忽略了支撐約束構(gòu)件提供的側(cè)向約束作用，這種將支撐內(nèi)芯視為無約束壓桿的方法將低估內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間局部擠壓力。

鑒于以上內(nèi)容，作者認(rèn)為對于支撐的局部穩(wěn)定問題的研究應(yīng)著重考慮以下內(nèi)容:基于防屈曲支撐的工作機(jī)理，如何考慮支撐內(nèi)芯外伸段與約束構(gòu)件之間相對轉(zhuǎn)動引起的附加局部擠壓力對支撐局部穩(wěn)定的影響需要進(jìn)一步研究;實(shí)際上，結(jié)構(gòu)中的支撐在地震作用下，不僅會發(fā)生軸向變形，還會由于結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致支撐端部發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，因此如何考慮結(jié)構(gòu)變形引起的支撐端部變形對支撐局部穩(wěn)定性能的影響需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)語

不同于普通支撐，由于防屈曲支撐的特殊構(gòu)造，從受力情況看，防屈曲支撐的內(nèi)芯及約束構(gòu)件是相互獨(dú)立的，而從變形角度看，二者又是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。因此對于防屈曲支撐的穩(wěn)定問題應(yīng)從二者之間相互作用的工作機(jī)理入手。防屈曲支撐主要的失穩(wěn)模式是整體失穩(wěn)及局部失穩(wěn)，對于支撐的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法，應(yīng)在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，著重考察內(nèi)芯邊界條件以及內(nèi)芯耗能段剛度對防屈曲支撐整體穩(wěn)定的影響;而對于支撐的局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法，應(yīng)在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮支撐內(nèi)芯外伸段與約束構(gòu)件之間相對轉(zhuǎn)動、結(jié)構(gòu)變形引起的支撐端部變形等因素對支撐局部穩(wěn)定的影響。