防屈曲支撐現(xiàn)狀與研究進展綜述

胡 泊，白玉星

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 前 言

防屈曲支撐是一種兼顧普通支撐和金屬阻尼器雙重功能的新型支撐。因其具有良好的延性性能及穩(wěn)定的滯回性能，在各國的建筑中均作為一種有效的抗震方式進行使用。防屈曲支撐耗能機制明顯，減震效果明顯且安裝方便可以一體化生產(chǎn)，在汶川大地震后我國對于防屈曲支撐的應(yīng)用和研究越來越多。通過防屈曲支撐的外圍構(gòu)件約束，使支撐在拉壓狀態(tài)下實現(xiàn)屈服耗能且不會失穩(wěn)破壞，同時在小震下給予框架提供抗側(cè)剛度，在中震和大震下利用內(nèi)芯的塑性變形耗能，因此，其成為目前主體結(jié)構(gòu)抗震減震的一種重要方法。

在地震作用下結(jié)構(gòu)的剛度越大，地震作用就越大，因此，當滿足強度要求時減小結(jié)構(gòu)剛度可以有效削弱地震作用。布置防屈曲支撐是較好的方法，在耗能減震方面有廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 防屈曲支撐工作原理

1.1 基本組成

防屈曲支撐通過內(nèi)核構(gòu)件與外圍約束構(gòu)件組成，其中內(nèi)核構(gòu)件采用組合焊接構(gòu)件，熱軋型鋼板或者低屈服點高延性的鋼板，可以直接承受軸向荷載作用；外圍約束構(gòu)件不直接承受軸力，主要承受內(nèi)核側(cè)向變形引起的彎矩。內(nèi)核構(gòu)件與外圍約束構(gòu)件通過無黏結(jié)填充材料連接，如硅膠，聚乙烯等[2]，如圖1所示。在填充材料與芯材中間需要留有空隙以保證芯材在受壓時膨脹，同時防止內(nèi)核鋼材由于泊松效應(yīng)進而引起橫向接觸。

圖1 防屈曲支撐構(gòu)造示意圖

通過外圍約束構(gòu)件的材料區(qū)分，可以將防屈曲支撐構(gòu)件劃分為混凝土約束性，全鋼約束性和鋼管混凝土約束性。通過外圍約束構(gòu)件組成方式不同也可以區(qū)分為整體式和裝配式防屈曲支撐。

1.2 截面形式與組合方式

常見的防屈曲支撐的截面形式有十余種，一般根據(jù)工程背景常采用H型截面，一字型截面和十字型截面[3]。防屈曲支撐的內(nèi)核構(gòu)件若沿縱向分類可以分為核心段、過渡段和連接段，如圖2所示。核心段為內(nèi)核構(gòu)件的中心部分，當?shù)卣鸢l(fā)生時即通過核心段區(qū)域進行屈服耗能。連接段為內(nèi)核與框架節(jié)點板連接區(qū)域，由于無外圍約束構(gòu)件的保護，因而其截面尺寸應(yīng)大于核心段，保證剛度與穩(wěn)定性滿足工作要求。過渡段為核心段與連接段的過渡區(qū)域，與核心段相連接的部分被包裹在外圍構(gòu)件內(nèi)，同時可以通過焊接加勁肋的方式保證工作狀態(tài)為彈性階段。

圖2 防屈曲支撐內(nèi)芯縱向組成

在防屈曲支撐的組合方式方面，國內(nèi)外學(xué)者一直在做相關(guān)研究來提升防屈曲支撐的性能。在國外方面，日本學(xué)者Twata[4]針對鋼管混凝土約束性防屈曲支撐構(gòu)件加工難度大的問題，研發(fā)了鋼-砂漿板式防屈曲支撐，避免了一體化澆筑引起的加工問題。國內(nèi)方面，李妍等[5]學(xué)者設(shè)計了6根方管約束一字型的防屈曲支撐構(gòu)件，通過擬靜力試驗表明內(nèi)芯屈服段外露時，會造成外露部分發(fā)生局部彎曲與局部撕裂，因此，在鋼管段設(shè)計了環(huán)箍形式防止鋼管端部局部破壞。

1.3 工作機理

宏觀上防屈曲支撐是一種利用鋼材發(fā)生軸向塑性變形的耗能減震裝置，與普通支撐相比較不會發(fā)生屈曲的鋼支撐構(gòu)件。在地震作用下，水平地震力主要通過內(nèi)芯承擔，約束構(gòu)件限制鋼支撐發(fā)生屈曲，使支撐在拉壓方向的受力形式接近二力桿受力。

防屈曲支撐在彈性階段可以提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，可用于抵抗風荷載作用下的水平力。在彈塑性階段中隨著芯材的屈曲變形，約束單元始終側(cè)向約束核心單元，防止支撐發(fā)生屈曲破壞，而只在軸向發(fā)生拉壓的受力狀態(tài)[6]。因此，采用低屈服點的鋼材先于主體結(jié)構(gòu)屈服，消耗結(jié)構(gòu)中的地震能量。同時防屈曲支撐的受力特性可以解決由于強度和剛度的削弱易發(fā)生疲勞斷裂等性能問題，拉壓兩個方向的強度與剛度一致，滯回曲線穩(wěn)定。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2007年，李俞諭等[7]學(xué)者在相同截面積的條件下，通過普通支撐框架與防屈曲支撐框架分別進行試驗，將結(jié)構(gòu)變形圖和單向水平加載下的荷載-位移曲線對比，說明了防屈曲支撐在減震方面的優(yōu)勢。

2010年，Zhao JX等[8]學(xué)者針對十字型截面防屈曲支撐由于焊接熱應(yīng)力的影響而產(chǎn)生殘余變形，研發(fā)出一種全角鋼式防屈曲支撐，如圖3所示，內(nèi)芯材料采用角鋼組合而成同時并不焊接，外圍約束構(gòu)件采用角鋼相扣焊接，進行低周反復(fù)試驗后標明這種組合方式可以將內(nèi)芯初始幾何缺陷控制在千分之一內(nèi)，因此，使構(gòu)件具有良好的低周疲勞性能。

圖3 全角鋼式防屈曲支撐組成

2010年，梅洋等[9]學(xué)者針對內(nèi)芯板無粘結(jié)性材料的耐久性問題，提出了內(nèi)芯分段組合解決方案，外圍構(gòu)件由兩根獨立的鋼管混凝土組成，從而內(nèi)芯板和外圍鋼板直接接觸，可以更好地解決無粘結(jié)問題。同時這種組裝方式可以使內(nèi)芯板制作與鋼管混凝土澆筑分開進行，降低生產(chǎn)成本，如圖4所示。

圖4 組合鋼管混凝土防屈曲支撐

2010年，趙瑛等[10]學(xué)者研究了影響防屈曲支撐框架的抗震性能因素，分析了支撐和框架的剛度分配和支撐的屈服條件。研究表明在大震下的防屈曲支撐框架層間位移，隨抗側(cè)剛度比的增大而減小，建議抗側(cè)剛度比選取在0.5～2.0。同時對于屈服位移僅由支撐與框架的夾角，內(nèi)芯材料強度和框架層高決定。

2006年，Kiggins S等[11]針對加入抗彎鋼框架的防屈曲支撐雙重結(jié)構(gòu)體系進行研究，并分別對一個3層和6層支撐框架進行地震反應(yīng)分析，研究結(jié)果表明，抗彎框架的彈性變形可以有效減少支撐框架的最大變形和殘余變形，同時增加了抗彎鋼框架，并不影響原結(jié)構(gòu)的自振周期。

3 待解決的問題

近年來我國關(guān)于防屈曲支撐的研究取得了很大進步，但是隨著研究的進行仍需要解決以下問題。

1)由于在實際工程中的屈服位置和試驗屈服位置會存在偏差，因此，設(shè)計的防屈曲支撐會和實際狀態(tài)有出入。

2)由于防屈曲支撐的內(nèi)芯主要由低屈服點的鋼材焊接而成，因此，造成防屈曲支撐的加工困難，同時由于多數(shù)防屈曲支撐采用無粘結(jié)材料，且支撐組成方式和截面形式多樣，因此，加工制造和組裝相對麻煩。

3)目前防屈曲支撐的研究雖然有很大進展，但是很少使用在工程項目上，因此，未來需要加強產(chǎn)學(xué)研一體化，將研究應(yīng)用于實踐中。

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