谈防屈曲支撑工作机理及稳定设计方法★

候召 陈麒丞 胡琤永 程卓 候善萌 高泽宁 鲁军凯

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

防屈曲支撑是一种兼顾普通支撑和金属阻尼器双重功能的新型支撑。因其具有良好的延性性能及稳定的滞回性能，近年来已经在世界各国建筑工程中得到了广泛应用。由于支撑内芯外围约束构件的约束作用，支撑内芯可以在拉压作用下均实现屈服耗能而不发生构件的失稳破坏，因此这种支撑既能在小震下给主体结构提供抗侧刚度，又能在中震及大震作用下利用支撑内芯的塑性变形消耗地震能量，进而实现损伤控制并保护主体结构在地震作用下免受严重损伤。而如何准确地揭示防屈曲支撑工作机理，提出全面合理的支撑稳定设计方法显得尤为重要。

1 防屈曲支撑工作机理

如图1所示，一个典型的防屈曲支撑主要由支撑内芯、约束构件以及二者之间的无粘结层或间隙组成。其中支撑内芯主要承受轴力作用，并利用其塑性变形消耗地震能量;约束构件通过提供抗弯刚度及抗弯承载力抑制支撑发生侧向失稳;无粘结层或间隙的作用是减少内芯与约束构件之间的摩擦，并提供给支撑内芯在受压作用下由于泊松效应产生的膨胀变形的空间。对于设计合理的防屈曲支撑，随着支撑轴力的增加，防屈曲支撑内芯将从低阶屈曲模态逐渐发展为高阶模态。但是如果支撑外围约束构件强度不足时，将会发生约束构件的整体或局部失稳，其中，约束构件的整体失稳是由于其抗弯承载力小于其承受的弯矩，约束构件的局部失稳则是由于内芯与约束构件之间的局部挤压力产生的作用效应超过了外围约束构件的抗鼓曲承载力。而当支撑内芯外伸段控制截面的轴力—弯矩响应超过其极限承载力时，支撑外伸段将发生平面内或平面外失稳。

图1 防屈曲支撑构造及其典型屈曲破坏模式

2 防屈曲支撑整体稳定设计方法

如图2所示，日本学者Usami等［1］针对全钢防屈曲支撑，考虑支撑约束构件的初始挠度，内芯与约束构件之间间隙及支撑两端加载点的相对偏心距等影响，将支撑内芯与约束构件之间的作用力为均布荷载，并通过推导给出支撑约束构件的稳定设计准则:

其中，a为约束构件的初始缺陷;s为内芯与约束构件之间间隙;e为支撑端部力作用点处的初始偏心距;Ncu为支撑最大轴向压力;NBcr为约束构件的弹性屈曲临界力;MBy为约束构件的屈服弯矩。但是，在其提出的力学模型中，忽略了支撑内芯外伸段的影响，并假设约束构件的边界条件为铰支，而且这种将间隙、偏心距直接叠加到约束构件的初弯曲上计算弯矩响应的做法并不能真实地反映内芯与约束构件之间的变形协调作用。

图2 Usami等提出的支撑模型[1]

针对防屈曲支撑连接段的平面外稳定问题，Koetaka等［2］及 Takeuchi等［3］展开了系列研究。在其研究中，将支撑构件、节点板以及与节点板附近的梁柱节点域统一视为一个支撑系统，并假设支撑端部存在一个可以传递弯矩的塑性铰，因此该方法可以考虑支撑节点的转动以及支撑内芯与约束构件之间的相对转动对支撑受力性能的影响。该方法进一步揭示了实际结构中支撑的工作机理，但是并不能考虑内芯与约束构件之间的相互作用以及支撑内芯刚度对支撑受力性能的影响。

鉴于此，作者认为对于支撑整体稳定设计方法的研究应着重考虑以下内容:实际工程中，防屈曲支撑与主体结构通常采用螺栓、焊接连接以及销轴连接，而螺栓或焊接连接的防屈曲支撑边界条件更接近于固接，销轴连接支撑则接近于铰接，如何考虑不同支撑边界条件对支撑整体稳定的影响需要进一步研究;现行设计方法忽略了支撑内芯耗能段刚度，但实际上支撑内芯屈服后仍具有一定刚度，如何考虑内芯耗能段屈服后刚度对支撑受力性能及变形模式的影响仍需进一步探讨。

3 防屈曲支撑局部稳定设计方法

防屈曲支撑另一种主要的破坏模式是局部失稳破坏，研究发现［4-6］，该类破坏的本质是随着支撑轴力的增加，内芯与约束构件之间的局部挤压力产生的作用效应超过了外围约束构件的抗鼓曲承载力。其中，Wei等［4］基于支撑约束构件内的混凝土的刚度确定支撑内芯的局部稳定临界力，并给出支撑的局部稳定设计准则，但是该方法没有考虑支撑内芯与约束构件之间间隙的影响，而且也没有考虑支撑外套管对局部稳定的影响。Takeuchi等［5］与 Lin等［6］则将支撑内芯视为一个无约束压杆，并基于欧拉临界力公式确定内芯与约束构件间局部挤压力。然而，有关研究发现，由于忽略了支撑约束构件提供的侧向约束作用，这种将支撑内芯视为无约束压杆的方法将低估内芯与约束构件之间局部挤压力。

鉴于以上内容，作者认为对于支撑的局部稳定问题的研究应着重考虑以下内容:基于防屈曲支撑的工作机理，如何考虑支撑内芯外伸段与约束构件之间相对转动引起的附加局部挤压力对支撑局部稳定的影响需要进一步研究;实际上，结构中的支撑在地震作用下，不仅会发生轴向变形，还会由于结构变形导致支撑端部发生相对转动，因此如何考虑结构变形引起的支撑端部变形对支撑局部稳定性能的影响需要进一步探讨。

4 结语

不同于普通支撑，由于防屈曲支撑的特殊构造，从受力情况看，防屈曲支撑的内芯及约束构件是相互独立的，而从变形角度看，二者又是协调统一的。因此对于防屈曲支撑的稳定问题应从二者之间相互作用的工作机理入手。防屈曲支撑主要的失稳模式是整体失稳及局部失稳，对于支撑的整体稳定设计方法，应在现有方法的基础上，着重考察内芯边界条件以及内芯耗能段刚度对防屈曲支撑整体稳定的影响;而对于支撑的局部稳定设计方法，应在现有方法的基础上，重点考虑支撑内芯外伸段与约束构件之间相对转动、结构变形引起的支撑端部变形等因素对支撑局部稳定的影响。