自復位防屈曲支撐鋼框架的抗震性能分析

譚燕秋，王朋飛，霍立超，王 帥

(河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038)

自20世紀70年代到現在防屈曲支撐已經歷了40余年的發展，現已成為一種技術基本成熟、標準相對完備的抗側力耗能減震裝置。在中震或大震作用下，防屈曲支撐在拉壓時均能實現全截面屈服，而不出現支撐構件整體或局部屈曲破壞，從而耗散地震能量，保護主體結構免遭破壞。但是，防屈曲支撐是通過自身發生彈塑性變形來耗散地震能量的，結構在經歷大震后勢必會產生較大的殘余變形。對于即將倒塌或可能經歷后續地震的結構，殘余變形會對其產生嚴重影響［1］。孫飛飛等人研究了自復位減震結構的自位復性能［2］。C.Christopoulos、Robert Tremblay［3］等人于2008年研發出自復位防屈曲支撐，并將其運用到鋼框架中進行研究。劉璐、吳斌［4］等人對自復位防屈曲支撐做了擬靜力試驗。研究表明:自復位防屈曲支撐具有復位和耗能的雙重特性，可以明顯減小結構震后的殘余變形。

本文采用通用有限元軟件ANSYS對自復位防屈曲支撐剛接鋼框架、防屈曲支撐剛接鋼框架和鋼框架進行罕遇地震作用下的抗震性能對比分析，研究自復位防屈曲支撐在頂點位移、層間位移角、殘余變形等地震響應方面的優越性。

1 自復位防屈曲支撐構造原理

1.1 自復位防屈曲支撐的構造

自復位防屈曲支撐的支撐構件為內、外兩個方鋼管。內管和外管的端部各有一個連接板，用于與結構相連接。如圖1所示，左端的連接板穿過左端板的槽孔與內管焊接固定，右端的連接板與外管焊接固定。外管的中段開有槽孔，內管的摩擦板穿過外管的槽孔與外管的摩擦板用高強螺栓相接，在高強螺栓上施加設定的預緊力。四根1 860 MPa級高強度鋼絞線錨固在左右端板上，通過端板將預應力傳遞給內管和外管，也使支撐形成一個整體。在內管和外管之間設置導塊，保證支撐的運動方向不發生過大偏移。

1.2 自復位防屈曲支撐的工作原理

當施加在自復位防屈曲支撐兩端的外荷載P小于鋼絞線的預應力P0與內、外鋼管之間的摩擦力F之和時，即0＜P≤P0+F時，內、外鋼管之間不發生相對位移，摩擦板不耗能;隨著外荷載的增大，當P＞P0+F時，內、外鋼管發生相對位移，摩擦板開始耗能;接著外荷載P逐漸減小，當P0－F≤P≤P0+F時(P0≈1.2F)，摩擦板之間的摩擦力反向，不耗能;當P＜P0－F時，內、外鋼管發生相對位移，支撐逐漸復位至初始狀態，摩擦板耗能。在支撐兩端施加拉、壓荷載其耗能及復位效果相同。

2 ANSYS計算模型的建立

計算模型為七層五榀兩跨的框架－支撐體系，自復位防屈曲支撐自底層至頂層連續布置在第二、第四榀框架中，框架層高3.6 m，跨距7.5 m，模型如圖2所示。本結構處于Ⅲ類場地，第二地震分組，抗震設防烈度為8度，罕遇地震下結構阻尼比取 0.05［5］。

2.1 自復位防屈曲支撐滯回模型的建立

自復位防屈曲支撐的滯回模型為旗形滯回模型，如圖3(a)所示，但在ANSYS中沒有這種特殊材料的本構模型，因此不能直接建立其滯回模型。本文從自復位防屈曲支撐的力學特性入手，將其滯回模型分解為雙折線彈性模型和純摩擦彈塑性模型兩個部分，分別如圖3(b)、3(c)所示。分解后的兩種模型都可以用ANSYS中現有的材料模型進行模擬，再將這兩種單元疊加在一起就得到了自復位防屈曲支撐的滯回模型［6］。對模型(材料特性及相關參數見2.2)施加圖4所示的載荷步，得到的滯回曲線如圖5所示。

鋼框架的梁、柱均采用BEAM188單元模擬，支撐均采用LINK8單元模擬，樓板采用SHELL63單元模擬。

2.2 材料特性及相關參數

鋼框架的梁、柱均采用經典雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度205 MPa，強化模量Est=4 120 MPa，密度7 850 kg/m3，柱截面為HW400×400×13×21 mm，梁截面為HN600×300×11×17 mm。

自復位防屈曲支撐由兩個LINK8單元疊加模擬，其一為多彈性材料模型，彈性模量E=1.3×106MPa，泊松比0.3，兩組應變點和應力點分別是0.000 3 和390 MPa、0.01 和1 950 MPa;其二為雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=1.2×106 MPa，泊松比 0.3，屈服強度 360 MPa，強化模量Est=0，密度7 850 kg/m3，兩個LINK8單元截面實常數均為 0.001 m2，長度 8.32 m。

防屈曲支撐由一個LINK8單元模擬，為雙線性隨動硬化材料模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 0.3，屈服強度 345 MPa，強化模量Est=6 589 MPa，密度7 850 kg/m3，單元截面實常數為0.002 2 m2。長度8.32 m。

樓板為各向同性彈性材料模型，彈性模量E=3.0 ×104MPa，泊松比 0.3，板厚 0.15 m，密度 2 500 kg/m3。

2.3 邊界條件及地震波的施加

各柱腳結點與地基固接，梁、柱結點為剛接，支撐與梁、柱結點通過自由度耦合的方式進行鉸接。

樓面均布活荷載2 kN/m2，重力加速度9.81 m/s2，地震波記錄采用1976年寧河天津波地震記錄(南北向)，積分步長 0.01 s，持續時間 19.19 s。要得到結構在罕遇地震作用下的地震響應，需將地震波記錄峰值調幅為400 cm/s2，調幅后的地震波如圖6所示。為得到結構震后的殘余變形，在調幅后的地震波記錄中添加持時20 s的零值加速度。

3 結果對比

3.1 對比準則的建立

由于自復位防屈曲支撐和防屈曲支撐有共同特征，即它們都具有由第一剛度進入第二剛度的屈服力，故選兩種支撐的屈服力(均為750 kN)為對比準則［7］。

地震響應以平行于支撐布置平面的第三榀框架梁、柱結點UX方向的位移為對比準則。

3.2 結構地震響應的對比

三種結構頂點位移響應的對比，如圖7所示。

三種結構各層最大位移的對比，如圖8所示。

三種結構各層最大層間位移角的對比，如圖9所示。

三種結構各層最大殘余變形的對比，如圖10所示。

4 結論

自復位防屈曲支撐鋼框架的頂點最大位移、各層最大位移、層間位移角、殘余變形等地震響應方面均明顯小于防屈曲支撐鋼框架和鋼框架。尤其在殘余變形方面，自復位防屈曲支撐具有顯著的優勢，基本上消除了結構震后的殘余變形，具有良好的復位效果。

［1］CHRISTOPOULOS C，PAMPANIN S，PRIESTLEY M J N.Performance－based seismic response of frame structures including residual deformations.PartⅠ:single－degree offreedom system［J］.Journal of Earthquake Engineering，2003，7(1):97 －118.

［2］譚燕秋，王穎欣.高層鋼結構中BRC蹺動技術的減震影響分析［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2013，30(1)1－5.

［3］C CHRISTOPOULOS，R TREMBLAY，H J KIM，M LACERTE.Self－centering energy dissipative bracing system for the seismic resistance of structures:development and validation［J］.Journal of Structural Engineering，2008，134(1):96－107.

［4］劉 璐，吳 斌，李 偉，等.一種新型自復位防屈曲支撐的擬靜力試驗［J］.東南大學學報:自然科學版，2012，42(3):536－541.

［5］GB50011－2010，建筑抗震設計規范［S］.

［6］李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［7］宋子文.自復位耗能支撐結構的地震響應分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2010.