防屈曲支撑钢框架的抗震性能研究*

刘 伟 李大鹏 王光云

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春 130118)

防屈曲支撑是一种新形式的耗能支撑，它与普通支撑的区别在于:普通支撑在受压时存在屈曲问题，而防屈曲支撑由于外围约束作用，内核单元在受压时会达到全截面屈服，通过屈服滞回达到耗能目的.其截面形式及构成如图1所示［1］.

图1 防屈曲支撑的纵向截面形式及构成

核心段是内核单元较长一段区域，是防屈曲支撑最主要构成部分，它在全长上被约束单元所包裹.连接段是内核单元两端与框架节点板相连接的区域，未被约束单元所包裹，而与核心段相接部分则被包裹在约束单元内部.约束单元由钢管内填混凝土组成，外包在内核单元周围［2］.

1 整体结构模型的建立

1.1 防屈曲支撑钢框架

本文研究对象为一层的平面［3］，层高3 m，跨度6 m，恒荷载取3.5 kN/m2，活荷载2.0 kN，框架梁柱为铰接，框架柱截面300×300×8×8，框架梁截面300×200×6×6，支撑截面120×100×6×4屈曲支撑内核单元和普通支撑截面面积相等，屈曲支撑钢管为ø 140×4，支撑与梁柱为铰接，几何尺寸如图3所示.

1.2 有限元分析模型的建立

对3种平面框架进行分析，防屈曲支撑的内核采用SOLID 45单元，因为该单元具有8个节点，每个节点有x，y，z 3个平动自由度，钢材选用Q 235，同时具有塑性、徐变、膨胀、大变形和大应变.约束套管采用SHELL 181单元，套管内填混凝土采用SOLID 65单元，混凝土强度为C 20，分别采用接触单元CONTA 173.钢框架采用BEAM 188单元.具体模型如图2～图4所示.

图2 纯框架有限元模型

图3 普通中心支撑模型

图4 防屈曲支撑模型

1.3 有限元加载选择

按照构件实际受力情况，在有限元分析时采用位移控制荷载方式进行加载.

2 防屈曲支撑有限元分析

2.1 纯框架支撑、普通支撑与防屈曲支撑对比分析

框架在水平荷载作用下，梁柱节点处及柱脚处应力最大.以水平位移10 mm为例，可以看见框架结构应力分布如图5所示.

图5 10 mm水平位移时框架结构应力分布

随着框架形式的不同［4］，在结构屈曲之前，框架结构的应力分布也不同.以框架的柱脚最大应力作为分析对象，结构在4 mm，6 mm，8 mm，10 mm时最大应力见表1.

表1 框架结构在不同侧移下最大应力 (kN)

从表1中可以看到，对于框架结构，柱脚最大应力随着侧向位移增大呈线性增加，而当支撑强度改变时，柱脚最大应力发生了相应的改变;纯框架、普通中心支撑、屈曲支撑在相同水平位移下，随着支撑刚度的增加，柱脚应力也随着增大.

2.2 滞回分析

通过结构低周反复荷载作用下的滞回分析，可以比较结构的延性性能和耗能能力，支撑结构的往复加载，考察对象为文中提到的3种情况，得到了纯框架、普通支撑和防屈曲支撑的滞回曲线如图6所示［5］.

图6 3种应力-应变滞回曲线分析

3 结论

上述分析表明，纯框架的延性好，但刚度小;普通支撑框架在支撑受压时，承载力恶化严重，滞回曲线显示拉压严重不对称，面积很小，这意味着滞回性能能力很差;防屈曲支撑既增加了结构刚度，又提高了结构的滞回耗能能力.

［1］赵俊贤，吴 斌.防屈曲支撑的工作原理及稳定性设计方法［J］.地震工程与工程振动，2009，29(3):131-139.

［2］周建龙，汪大绥，姜文伟.防屈曲耗能支撑在世博中心工程中的应用研究［J］.建筑结构，2009，39(5):29-33.

［3］徐鹤山.Ansys建筑钢结构工程实例分析［M］.北京:机械工业出版社，2007(4):47-49.

［4］冼巧玲，周福霖.消能支撑框架结构设计方法探讨［J］.地震工程与工程震动，2002，22(1):109-113.

［5］周学军，陈 鲁，曲 慧.多高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响［J］.钢结构，2003，18(4):51-54.