防屈曲支撑连接段受力性能分析及设计建议★

陈麒丞 陈泰北 孙子超 王 健 鲁军凯

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

防屈曲支撑自20世纪80年代末在日本被提出以来，因其具有良好的延性及耗能能力而被世界多国广泛应用于各种抗震建筑中。在我国高层钢结构建筑规程及抗震设计规范[1,2]中均要求，防屈曲支撑在滞回循环加载中应具有稳定的性能，但是，有关研究发现，在内芯屈服前，防屈曲支撑可能会在其连接段提前发生失稳破坏。我国台湾的蔡克铨等人也在其完成的防屈曲支撑框架试验中介绍了这种破坏模式，日本的Takeuchi等人[3]以及我国台湾的蔡克铨等人分别在其完成的子系统试验及结构试验中观察到了这一破坏现象。为避免发生此类破坏，文献[4]～[6]中分别给出了不同的稳定设计准则。其中，蔡克铨等人[4]建议采用受压杆的屈曲荷载评估连接段的稳定承载力。Koetaka等人[5]认为弯矩在支撑上的分布并不连续，进而用相应的力学模型分析了连接段的受力特性。在Hikino等人[6]提出的力学模型中也采用了Koetaka等人[5]的假设，不过其假设连接段为刚体。本文对以上方法进行了回顾和比较，并针对存在的不足提出建议。

1 蔡克铨等人方法

蔡克铨等人[4]于2008年完成了一榀三层三跨防屈曲支撑钢框架的拟动力试验及数值模拟研究(见图1)。研究发现，对于与防屈曲支撑连接的节点板，当不进行加劲时，其稳定承载力可按一端固接一端自由的受压杆的力学模型进行计算，相应的受压杆的计算长度系数取K=2.0(见图1b))；而对于加劲节点板，则可用边界条件为固接的受压杆的稳定承载力评估连接节点的稳定承载力(计算长度系数取K=0.65，如图1c)所示)。但是，这种将支撑连接简化为悬臂梁(或固支梁)的做法并不符合连接段实际的受力及变形特性，而且文中也没有对这种设计方法给出进一步的解释。

2 Koetaka等人方法

Koetaka等人[5]通过理论分析建立了防屈曲支撑连接节点的稳定设计公式，并通过一榀防屈曲支撑钢框架验证了该设计方法。如图2所示，在其提出的力学模型中，考虑梁对支撑受力性能的影响，即将上部梁视为一个端部带有抗侧刚度及转动刚度的刚体(长度为梁高度的一半)，且该刚体下部与支撑上端连续。下部梁柱节点对支撑的约束视为固接。同时，该模型忽略约束构件的弯矩传递作用，即假设内芯在轴力作用下会在约束构件端部附近形成一个不传递弯矩的塑性铰。

研究发现，当上端梁提供的抗侧刚度及转动刚度较大时，支撑连接段的屈曲荷载为:

(1)

其中，ξ为连接段占支撑全长的比例；rJEIB为连接段的抗弯刚度；L0为支撑全长。当上端梁提供的转动刚度KR不足时，支撑连接段的屈曲荷载为：

(2)

(3)

需要说明的是，尽管该方法考虑了与支撑连接段相连的节点域的约束作用，但是忽略了内芯与约束构件之间的间隙，因此不能反映内芯与约束构件之间的变形协调。此外，该方法也没有考虑初偏心以及约束构件的初始缺陷对支撑连接段受力性能的不利影响。

3 Hikino等人方法

Hikino等人[6]基于相似的边界条件给出了防屈曲支撑的力学分析模型，与Koetaka等人方法不同的是，Hikino等人的方法将支撑的连接段视为刚体，进而得到了与式(3)一致的结论。这种将连接段视为刚体的做法虽然能进一步简化分析和设计，但是依然无法揭示防屈曲支撑真实的受力机理。

4 防屈曲支撑受力机制及设计建议

地震作用下，合理设计的支撑连接段应能稳定可靠的将结构的侧向力传递给耗能内芯，并利用内芯的塑性变形消耗地震能量。因此可以说，支撑连接段的稳定性是保证防屈曲支撑耗能能力及结构抗震性能的关键。实际上，内芯与约束构件之间存在间隙，因此在轴力作用下，内芯的耗能段会发生屈曲而与约束构件接触。随着轴力的不断增加，内芯与约束构件的接触力及约束构件的弯矩相应也随之增加。

由此可知，针对文献[4]～[6]方法存在的不足，给出如下设计建议：

1)力学模型应考虑内芯与约束构件之间的弯矩传递机制。

2)应分别建立支撑内芯与约束构件的力学模型，并基于二者之间的相互作用机制建立内芯与约束构件的变形协调条件，明确支撑的受力特性。

3)力学模型中应考虑安装误差导致的初偏心及约束构件初弯曲对支撑受力性能的不利影响。

4)地震作用下，支撑连接段还可能发生平面内失稳，因此应考虑框架变形下支撑连接段的受力特性。

5 结语

对目前存在的防屈曲支撑连接段的稳定设计方法进行了介绍和分析，相关结论如下：

1)防屈曲支撑的构造虽然比较简单，但想要准确揭示防屈曲支撑的受力机制及明确一些关键理论问题仍有待进一步研究。

2)应考虑内芯与约束构件之间的弯矩传递机制。

3)应基于内芯与约束构件之间的相互作用机制建立二者之间的变形协调条件，明确支撑的受力特性。

4)应考虑初偏心及约束构件初弯曲对支撑连接段受力性能的不利影响。

5)应进一步考虑支撑连接段的平面内稳定问题。