防屈曲支撑抗震耗能性能分析

许振*

（哈尔滨电气国际工程有限责任公司，黑龙江哈尔滨，150028）

引言

防屈曲支撑是一种新型的耗能支撑，主要由内芯单元，外约束和无粘结材料三部分构成。内芯单元主要承受轴向力的作用，由于内芯初始挠度的存在，当轴向作用逐渐增大使内芯单元屈服，通过外约束的约束内芯作用，使内芯的屈曲模态阶数逐渐增加，构件内芯的承载力也随之逐渐提高，直到整个构件整体失稳或局部失稳破坏；内芯与外约束之间为无粘结材料或间隙，这种设置作用可以尽可能减少内芯和外约束的摩擦作用，确保内芯承受最大的轴向作用。与普通支撑的不同之处在于，防屈曲支撑外围约束构件的存在，使其内芯板件在轴向压力的作用下会达到全截面屈服，而不会存在截面屈曲先于截面屈服出现，丧失承载力的情况，进而达到良好的滞回耗能效果，提高结构承载力和抗侧刚度。在地震小震作用下，防屈曲支撑的作用类似于中心支撑作用，提高结构的侧向刚度；在中震或者大震的作用下，防屈曲支撑内芯受到拉压作用屈服来消耗地震的能量，外约束使中心支撑不会发生整体失稳，从而保证结构的整体安全性。

1 有限元模型的建立

本文采用经典的双线性随动强化模型来模拟钢材本构关系和规范推荐的过镇海应力—应变全曲线来模拟混凝土的本构关系，相关钢材和混凝土的本构关系如图1所示。

图1 材料本构关系

对三种截面类型的防屈曲支撑进行研究，如图2所示。A型芯材为十字性钢，约束构件为方钢管并内填混凝土；B型芯材为十字性钢，约束构件为圆钢管并内填混凝土；C型芯材为圆钢管，约束构件也为圆钢管。其中C型外套约束钢管与芯材钢管之间有较小间隙，不填充砂浆。

图2 防屈曲支撑截面形式

2 防屈曲支撑的滞回性能

2.1 模型尺寸及加载方式

对上述三类的防屈曲支撑滞回性能进行分析。其中，内芯单元选用钢材为Q235钢，外围约束单元选用混凝土为C20，选用钢材为Q345钢。构件的模型属性如表1。

表1 防屈曲支撑截面属性

加载制度采用支撑变形幅值不断增大的位移控制加载，变形幅值分别对应于1～10倍、12倍、15倍内核构件约束屈服段受拉屈服变形值，各循环3次。

2.2 滞回曲线分析结果

根据位移控制加载方式，对不同截面的防屈曲支撑进行有限元模拟分析，以防屈曲支撑的轴向变形位移值为x轴，轴向加载力的值为y轴，建立三种不同截面防屈曲支撑的滞回曲线，所得各个截面防屈曲支撑滞回曲线如图 3所示。

图3 防屈曲支撑滞回曲线

3 构件组成对性能的影响因素分析

3.1 约束刚度

约束刚度是描述外围约束单元对内芯单元约束效果优劣的物理量，一般可以用约束比来衡量。根据有限元软件模拟分析，当三个系列的防屈曲支撑

从上图中可以分析得，三种不同截面的滞回曲线均稳定饱满，具有良好的耗能能力。虽然内核支撑出现侧向变形，但由于外套管的约束，限制了内芯的侧向变形，使得内芯支撑只有向高阶屈曲模态逐渐发展，从而能够使内芯的轴向承载能力也随之提高，直到防屈曲支撑整体或局部失稳破坏。三种类型的防屈曲支撑相同位移幅值的完整滞回环基本重合，仅在加载到幅值后卸载过程中有所不同。由三种截面的滞回曲线和滞回曲线对比，三种不用截面的防屈曲支撑均具有良好的滞回耗能性能。的轴向应变达到0.2%时，防屈曲支撑达到全截面屈服，荷载位移曲线趋于水平，受压荷载逐渐接近并最终达到内芯单元的受压屈服荷载。当轴向应变达到1.2%时，防屈曲支撑发生屈曲失稳，荷载位移曲线出现下降段，二者轴向极限承载力分别为211.10kN和197.20kN。

综合上述分析，约束比变化对三种类型防屈曲支撑受力性能的影响趋势是一致的，即约束比较小时，防屈曲支撑失稳荷载低于内芯单元的屈服荷载，内芯单元尚未达到全截面屈服即出现屈曲失稳而丧失承载力；随着约束比的提高，满足屈曲失稳荷载高于内芯单元的屈服荷载要求，防屈曲支撑达到全截面屈服，荷载位移曲线趋于水平，受压荷载Pl达到内芯单元的受压屈服荷载y。

3.2 内芯单元宽厚比

防屈曲支撑的间隙与屈曲半波长得相对值的比值在防屈曲支撑设计分析是一个很关键的因素。当内芯宽厚比越大，内芯受相同荷载作用下轴向应变越大，荷载位移曲线斜率小即初始弹性刚度小，达到全截面屈服时轴向应变为0.3%。而宽厚比较小的内芯单元，全截面屈服轴向应变为0.2%。宽厚比的增加内芯会出现一定程度的滞后现象，当轴向应变达到0.3%后，不同宽厚比荷载位移曲线趋于水平，轴向压力达到截面屈服荷载。防屈曲支撑在反复荷载作用下，滞回曲线包络面积越大，抗震耗能性能越好。初始弹性刚度越大，其滞回曲线更为饱满，此时防屈曲支撑具有良好的低周疲劳性能，由此可见，内芯宽厚比不宜过大，但为满足内芯单元连接段布置螺栓。避免尺寸过小而出现过大的应力集中，连接段和核心段的截面尺寸不宜相差过大，故内芯板件的宽厚不宜取的过小，建议宽厚比在5～10之间。

3.3 连接刚性

防屈曲支撑仅由内芯单元承受轴向作用力，而不能承受剪力和弯矩，故在一般数值分析计算中，支撑的连接是按理想铰接考虑的。然而，在实际工程中，完全理想的铰链接是不存在的。同时，为了保证防屈曲支撑连接处的稳定性，需具有一定的刚性。本文考虑理想铰接和理想刚接两种极端情况，分析连接刚性对防屈曲支撑受力性能的影响。对约束比较大的防屈曲支撑，端部采用理想刚接和理想铰接，其均能达到全截面屈服，受压荷载均能达到内芯单元屈服荷载。故当约束刚度比一定满足条件后（ζ≥2.0），防屈曲支撑可采用相对简单的端部连接构造形式。对约束比较小的防屈曲支撑，端部采用理想刚接时，其受力性能较理想铰接有一定提高。

4 结束语

通过对三种类型的防屈曲支撑，建立有限元模型。对三种类型的防屈曲支撑的基本参数和性能进行分析，得到以下结论：

（1）三种类型的防屈曲支撑均具有良好的滞回耗能性能，A、B和C型截面相在同位移幅值下完整滞回环所包络的面积依次增大。

（2）防屈曲支撑约束比较小时，内芯单元尚未达到全截面屈服即出现屈曲失稳而丧失承载力；随着约束比的提高，防屈曲支撑达到全截面屈服，荷载位移曲线趋于水平，受压荷载达到内芯单元的受压屈服荷载。

（3）对于内芯单元宽厚比，随着内芯单元宽厚比的增大防屈曲支撑会出现一定程度的屈服滞后现象，而影响防屈曲支撑的低周疲劳性能，故内芯单元的宽厚比不宜过大；同时，为满足内芯单元连接段构造要求，避免出现过大的应力集中，内芯单元的宽厚不宜取的过小。建议宽厚比在5～10之间。

（4）对于防屈曲支撑构件初始缺陷和连接刚性，当约束比越小，对防屈曲支撑的力学性能影响越显著，当约束比满足一定条件后，两者对支撑承载力性能影响不大。

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