屈曲约束支撑高层钢结构的抗震性能及设计方法探讨

蔡鹏飞

摘 要：地震发生时地面震动会引起结构地震反应，地震放映从下到上被逐渐放大，引起主体称重结构的破坏，造成了严重的损失。为了使结构地震作用得到减小，人们通过各种方式以期达到减轻地震反应的目的，但是每种方式都各有利弊，为了克服其中的缺点，世界各国抗震工作者提出了减震思想，通过结构设计来减轻结构的地震作用，本文基于这样的背景，从不同角度针对屈曲约束支撑高层钢结构的抗震性能及设计方法展开了一系列分析。

关键词：屈曲约束支撑；高层钢结构；抗震性能；设计方法

从一定程度上来说，框架支撑结构体系的出现解决了框架结构的抗侧刚度问题，但是，在地震作用下框架结构始终存在受压屈曲问题，为了进一步满足设计要求，增加支撑横截面积是最好的方法，可以大大降低整体结构的经济性，可是即使结构截面面积得到了增大，在罕遇地震作用下支撑依然会发生屈曲。屈曲约束支撑的引入克服了传统支撑的这些缺点，在受压、受拉的情况下都不会发生屈曲，大大提高了结构体系的抗震性能。鉴于此，笔者结合自己多年来的工作经验，针对屈曲约束支撑高层钢结构的抗震性能及设计方法展开研究，相信一定可以为大家带来一些启示。

1屈曲约束支撑的基本性能

1.1屈曲约束支撑的原理

芯材是屈曲约束支撑的中心，为了防止出现芯材受压屈曲的现象，从而保证在受压、受拉时支撑能够达到屈服，可以将其防止在钢套管中，并将砂浆或者混凝土灌注在套管中，还要注意在砂浆和芯材之间设置一层非常狭小的空气层或者无粘结材料，通过这样的设置可以大大减小芯材在受到轴力时传给混凝土或者砂浆的力，从而达到在受压、受拉情况下减小芯材横向变形的目的。

1.2屈曲约束支撑的构成

屈曲约束支撑主要包括约束屈服段、约束非屈服段、去粘结可膨胀材料等部分构成（如下图2）。约束屈服段中，支撑截面的形式有很多中，采用屈服强度值稳定的钢材，可以对结构能力设计的可靠性进行保证；约束非屈服段作为约束曲阜段的延伸，主要包在砂浆或者混凝土內，通过屈服段的增加来增加截面积，以保证这部分可以处于弹性阶段中；无约束非屈服段，这部分是约束非屈服段的延伸，主要在砂浆及套管的外面，在设计时需要对安装公差加以考虑，在连接时利用焊接或者螺栓来连接；无粘结可膨胀材料，为了减少约束段和砂浆之间因为摩擦产生的剪力对芯材造成影响，会将聚乙烯、橡胶等材料填充到空隙中；屈曲约束机构主要由中空钢套管和砂浆组成，其抗压强度通过适当的配比和振捣来保证，以达到有效限制屈服段屈曲位移的目的。

1.3屈曲约束支撑的屈服及极限强度

将屈曲约束支撑看做以纯轴力构件，其强度、消耗能力由不同材料的使用以及对长度、面积比例的调整来决定，可以将支撑构件屈服及极限强度表示如下：

（1）

（2）

式中，、分别代表核心面积与材料屈服强度，、、表示轴向压力大于拉力、材料超强、应变硬化等相关效应的影响，在实际应用中可以将其取为1.1，而、可以取为1.5，如果能够通过测试获得材料的强度，就不必对材料超强效应进行考虑了。

1.4等效刚度

因为屈曲约束支撑构件截面积不一定是完全一致的，主要包括接合段、转换段等，其刚度由接合段、转换段、核心消能段串联之后的等效刚度来决定，可以通过以下公式来表示：

（3）

式中，为核心支撑段的面积，为转换段的面积，为结合段的面积，为核心支撑段的长度，为转换段的的长度，为结合段的长度。

2屈曲约束支撑高层钢结构的设计方法

2.1地震作用下输入结构能量的计算

支撑耗能能力直接决定着结构在地震作用下的安全性，传统结构设计方法中并没有在这方面做过多工作，而基于能量的设计方法从整体地震能量耗散的角度针对整体结构展开进一步分析，按照能量平衡的思想展开设计，以达到目标位移发生时需要的能量，下面的公式表明了原来结构和等效弹性结构体系之间位移和力之间存在的关系：

（4）

式中，表示等效弹性体系质量，为等效速度，为等效加速度，为结构固有频率。输入相应的数据就能得到结构的初始屈服位移以及最大位移，然后由总输入能量与体系弹性能量相减就能得到屈曲约束支撑耗散的塑性能量。

2.2地震输入能量级分配的影响因素

地震动特性、结构动力特性等因素直接影响着地震总输入能量，随着地震峰值加速度的不断增大，地震的总输入能量也会不断增大；场地土越硬，地震带来的能量反应就会越小，相反则越大；强震持续时间也会影响结构反应，主要在非线性阶段表现出来，总趋势为地震持续的时间越长，能量积累就会越大。

此外，结构动力特性也会影响总输入能量，弹性与弹塑性体系自振周期结构不同，总输入能量反应也不同，基本上恢复力模型中塑性刚度系数对总输入能量没有太大的影响。此外，大量研究结果表明，对于中长及短周期的结构，弹塑性和弹性分析结构地震的总输入能量反应之间相差比较小，因此可以利用弹性分析替代那些复杂的弹塑性总输入能量分析。

2.3屈曲约束支撑中塑性能量的计算

本文以屈曲约束支撑单层单跨二维框架作为例子，对屈曲约束支撑耗能量值的计算进行分析和说明，假设框架和支撑的夹角是，从以下公式中可以看出它们之间存在的几何关系：

（6）

（7）

（8）

式中，表示屈服力，表示侧向位移，、、分别为屈曲约束支撑的横截面积、长度、夹角，表示支撑的弹性模量，在支撑出现最大变形的时候，其塑性能量如下图1中的阴影矩形区。

图1屈曲约束支撑塑性能量示意图

结语：

综上所述，地震是一种突发的自然灾害，其后果往往是毁灭性的的，和飓风、洪水以及瘟疫同被称为人类的四大天敌，人类历史上几次强震均为人类造成了巨大的损失，我国是受地震危害最为严重的国家之一，多年来国家针对工程抗震、地震控制等方面展开了一系列分析和研究，现在人们对地震已经有了一定了解，本文在这样的背景下提出了利用屈曲约束支撑进行钢结构建筑设计的思路，以减轻地震带来的损失。

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