防屈曲支撐連接段受力性能分析及設(shè)計建議★

陳麒丞 陳泰北 孫子超 王 健 魯軍凱

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

防屈曲支撐自20世紀80年代末在日本被提出以來，因其具有良好的延性及耗能能力而被世界多國廣泛應用于各種抗震建筑中。在我國高層鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)程及抗震設(shè)計規(guī)范[1,2]中均要求，防屈曲支撐在滯回循環(huán)加載中應具有穩(wěn)定的性能，但是，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)芯屈服前，防屈曲支撐可能會在其連接段提前發(fā)生失穩(wěn)破壞。我國臺灣的蔡克銓等人也在其完成的防屈曲支撐框架試驗中介紹了這種破壞模式，日本的Takeuchi等人[3]以及我國臺灣的蔡克銓等人分別在其完成的子系統(tǒng)試驗及結(jié)構(gòu)試驗中觀察到了這一破壞現(xiàn)象。為避免發(fā)生此類破壞，文獻[4]～[6]中分別給出了不同的穩(wěn)定設(shè)計準則。其中，蔡克銓等人[4]建議采用受壓桿的屈曲荷載評估連接段的穩(wěn)定承載力。Koetaka等人[5]認為彎矩在支撐上的分布并不連續(xù)，進而用相應的力學模型分析了連接段的受力特性。在Hikino等人[6]提出的力學模型中也采用了Koetaka等人[5]的假設(shè)，不過其假設(shè)連接段為剛體。本文對以上方法進行了回顧和比較，并針對存在的不足提出建議。

1 蔡克銓等人方法

蔡克銓等人[4]于2008年完成了一榀三層三跨防屈曲支撐鋼框架的擬動力試驗及數(shù)值模擬研究(見圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，對于與防屈曲支撐連接的節(jié)點板，當不進行加勁時，其穩(wěn)定承載力可按一端固接一端自由的受壓桿的力學模型進行計算，相應的受壓桿的計算長度系數(shù)取K=2.0(見圖1b))；而對于加勁節(jié)點板，則可用邊界條件為固接的受壓桿的穩(wěn)定承載力評估連接節(jié)點的穩(wěn)定承載力(計算長度系數(shù)取K=0.65，如圖1c)所示)。但是，這種將支撐連接簡化為懸臂梁(或固支梁)的做法并不符合連接段實際的受力及變形特性，而且文中也沒有對這種設(shè)計方法給出進一步的解釋。

2 Koetaka等人方法

Koetaka等人[5]通過理論分析建立了防屈曲支撐連接節(jié)點的穩(wěn)定設(shè)計公式，并通過一榀防屈曲支撐鋼框架驗證了該設(shè)計方法。如圖2所示，在其提出的力學模型中，考慮梁對支撐受力性能的影響，即將上部梁視為一個端部帶有抗側(cè)剛度及轉(zhuǎn)動剛度的剛體(長度為梁高度的一半)，且該剛體下部與支撐上端連續(xù)。下部梁柱節(jié)點對支撐的約束視為固接。同時，該模型忽略約束構(gòu)件的彎矩傳遞作用，即假設(shè)內(nèi)芯在軸力作用下會在約束構(gòu)件端部附近形成一個不傳遞彎矩的塑性鉸。

研究發(fā)現(xiàn)，當上端梁提供的抗側(cè)剛度及轉(zhuǎn)動剛度較大時，支撐連接段的屈曲荷載為:

(1)

其中，ξ為連接段占支撐全長的比例；rJEIB為連接段的抗彎剛度；L0為支撐全長。當上端梁提供的轉(zhuǎn)動剛度KR不足時，支撐連接段的屈曲荷載為：

(2)

(3)

需要說明的是，盡管該方法考慮了與支撐連接段相連的節(jié)點域的約束作用，但是忽略了內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的間隙，因此不能反映內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)。此外，該方法也沒有考慮初偏心以及約束構(gòu)件的初始缺陷對支撐連接段受力性能的不利影響。

3 Hikino等人方法

Hikino等人[6]基于相似的邊界條件給出了防屈曲支撐的力學分析模型，與Koetaka等人方法不同的是，Hikino等人的方法將支撐的連接段視為剛體，進而得到了與式(3)一致的結(jié)論。這種將連接段視為剛體的做法雖然能進一步簡化分析和設(shè)計，但是依然無法揭示防屈曲支撐真實的受力機理。

4 防屈曲支撐受力機制及設(shè)計建議

地震作用下，合理設(shè)計的支撐連接段應能穩(wěn)定可靠的將結(jié)構(gòu)的側(cè)向力傳遞給耗能內(nèi)芯，并利用內(nèi)芯的塑性變形消耗地震能量。因此可以說，支撐連接段的穩(wěn)定性是保證防屈曲支撐耗能能力及結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。實際上，內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間存在間隙，因此在軸力作用下，內(nèi)芯的耗能段會發(fā)生屈曲而與約束構(gòu)件接觸。隨著軸力的不斷增加，內(nèi)芯與約束構(gòu)件的接觸力及約束構(gòu)件的彎矩相應也隨之增加。

由此可知，針對文獻[4]～[6]方法存在的不足，給出如下設(shè)計建議：

1)力學模型應考慮內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的彎矩傳遞機制。

2)應分別建立支撐內(nèi)芯與約束構(gòu)件的力學模型，并基于二者之間的相互作用機制建立內(nèi)芯與約束構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)條件，明確支撐的受力特性。

3)力學模型中應考慮安裝誤差導致的初偏心及約束構(gòu)件初彎曲對支撐受力性能的不利影響。

4)地震作用下，支撐連接段還可能發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn)，因此應考慮框架變形下支撐連接段的受力特性。

5 結(jié)語

對目前存在的防屈曲支撐連接段的穩(wěn)定設(shè)計方法進行了介紹和分析，相關(guān)結(jié)論如下：

1)防屈曲支撐的構(gòu)造雖然比較簡單，但想要準確揭示防屈曲支撐的受力機制及明確一些關(guān)鍵理論問題仍有待進一步研究。

2)應考慮內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的彎矩傳遞機制。

3)應基于內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的相互作用機制建立二者之間的變形協(xié)調(diào)條件，明確支撐的受力特性。

4)應考慮初偏心及約束構(gòu)件初彎曲對支撐連接段受力性能的不利影響。

5)應進一步考慮支撐連接段的平面內(nèi)穩(wěn)定問題。