栗 劍 曹寶珠 袁 斌 聞 墨

(1:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118; 2:海南大學(xué)土木學(xué)院，?？?570100)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的大跨度的建筑結(jié)構(gòu)取代了普通的建筑支撐體系.采用普通的支撐體系，在較大地震作用下,整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)常處于彈塑性,支撐承擔(dān)大部分水平地震力，并在反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出不同拉壓特性,受壓力時(shí)屈曲，受拉力時(shí)屈服,出現(xiàn)薄弱層的結(jié)構(gòu),抵抗地震能力下降,耗能減震效果不理想.對(duì)于如何解決普通支撐受壓屈曲的問題,有人曾經(jīng)設(shè)法提高構(gòu)件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性，但這樣做法又有如下缺陷：“截面尺寸很大，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；地震隨機(jī)性，抗震設(shè)計(jì)不能針對(duì)不同地震類型進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，靈活性不足；在較大地震作用下，主體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的破壞或變形，震后結(jié)構(gòu)無法修復(fù)”.然而，防屈曲支撐就可以避免以上問題.鋼管混凝土防屈曲支撐—框架結(jié)構(gòu)體系不僅具有良好的受力特性及抗震性能，還具有較好的經(jīng)濟(jì)性能，是一種新型實(shí)用的雙重抗測力結(jié)構(gòu)體系.根據(jù)結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)，我們可以選擇不同截面的防屈曲支撐構(gòu)件，對(duì)于鋼管混凝土防屈曲支撐，具有取材方便、選材廣、可靠高效、輕型實(shí)效、施工安裝方便等特點(diǎn)，因此其具有廣泛應(yīng)用前景.

1 防屈曲支撐的基本構(gòu)造原理

圖1 鋼管混凝土防屈曲支撐概念插圖

鋼管混凝土防屈曲支撐屬于耗能的支撐構(gòu)件，主要由內(nèi)核單元、外包約束單元和無粘結(jié)材料三部分組成.如圖1鋼管混凝土防屈曲支撐概念插圖[1]所示，內(nèi)核單元與主體結(jié)構(gòu)相連承擔(dān)主要的受力作用，在彈性變形范圍內(nèi)為主體結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度；外包約束單元為內(nèi)核單元提供側(cè)向約束，起到防止支撐受壓屈曲破壞.外包約束單元與內(nèi)核單元的相互作用，可以抵消掉主體結(jié)構(gòu)傳來的能量，具有非常好的抗震性能.

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋼管混凝土防屈曲支撐出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，從80年代至今，世界各國學(xué)者開始對(duì)相關(guān)的防屈曲支撐進(jìn)行了研究，通過對(duì)支撐的穩(wěn)定、抗疲勞和滯回耗能等性能的理論與試驗(yàn)的研究分析，提出可靠高效的構(gòu)造措施及新型的節(jié)點(diǎn)連接方式.

Wakabayashi[2]在預(yù)制的混凝土板中放置一字形鋼板支撐，放置混凝土板的目的是為鋼板支撐提供側(cè)向約束，鋼板支撐則是為混凝土板不發(fā)生屈曲，通過對(duì)不同的無粘結(jié)材料的鋼板支撐的拉壓試驗(yàn)表明，鋼板支撐在拉壓力的作用下滯回耗能性能良好的表現(xiàn)出來，并且都能夠屈服，混凝土板對(duì)鋼板的約束作用使構(gòu)件整體失穩(wěn)受到限制.

Kimura和Takeda等人[3]利用一字形鋼板和方鋼管進(jìn)行試驗(yàn)研究，往外包約束單元的方鋼管與內(nèi)核單元的一字形鋼板中間灌注混凝土，通過對(duì)制作好的支撐構(gòu)件進(jìn)行循環(huán)的拉壓試驗(yàn)表明，無粘結(jié)材料、混凝土強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)支撐構(gòu)件性能有影響，混凝土強(qiáng)度大，無粘結(jié)材料質(zhì)量好，支撐構(gòu)件拉壓的滯回曲線就越好.

圖2 防屈曲支撐與傳統(tǒng)支撐滯回曲線的對(duì)比

Watanabe和Hitomi等人[4]通過學(xué)習(xí)總結(jié)已有的防屈曲支撐的研究成果，經(jīng)過眾多新的試驗(yàn)研究后，并進(jìn)行對(duì)支撐的原理總結(jié)，還描述支撐的發(fā)展歷史過程，同時(shí)定義防屈曲支撐的概念.

Fujimoto和Wada等人[5]利用外包約束單元為矩形鋼管的防屈曲支撐內(nèi)填砂漿材料進(jìn)行了研究，通過控制內(nèi)核單元不變，只對(duì)外包約束單元的外徑尺寸和管壁厚度的改變，來具體分析支撐受力性能，發(fā)現(xiàn)外包約束單元的失穩(wěn)荷載與內(nèi)核單元的屈服荷載的比值較大時(shí)，矩形鋼管防屈曲支撐的滯回性能更好.

Nakamura和Takeuchi等人[6]對(duì)內(nèi)核單元為“一”形和“十”形的約束屈曲支撐進(jìn)行了足尺的疲勞試驗(yàn)研究.對(duì)內(nèi)核單元循環(huán)拉亞試驗(yàn)，得到內(nèi)核單元等截面和變截面的疲勞壽命，并提出有應(yīng)變集中存在的約束屈曲支撐計(jì)算疲勞壽命的公式.

郭彥林和劉建彬等人[7]對(duì)結(jié)構(gòu)的耗能減震與防屈曲支撐進(jìn)行了研究，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，并獲得合理的外包單元約束比、內(nèi)核單元寬厚比、摩擦系數(shù)、初始缺陷、縫隙和連接剛度取值.

包聯(lián)進(jìn)[8]、劉晴云[9]、孫建華[10]等人對(duì)防屈曲支撐在不同建筑中抗震性能方面進(jìn)行了研究分析，與傳統(tǒng)支撐相比，防屈曲支撐具有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性、可修復(fù)性及抗震耗能性，同時(shí)有效的降低結(jié)構(gòu)主體的用鋼量.

3 主要研究成果

(1) 鋼管混凝土防屈曲支撐核心段截面形狀種類很多，常見的截面形式有一字形、十字形、工字形及空心矩形等.現(xiàn)階段防屈曲支撐核心截面還增加了限位卡與限位槽，限位裝置的作用是防止因約束單元與內(nèi)核單元存在縫隙而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，防止支撐傾斜安裝及受力時(shí)候發(fā)生滑脫；

(2) 由于鋼管混凝土防屈曲支撐的外包約束單元對(duì)內(nèi)核單元起到有效的約束作用，此約束作用可以防止支撐過早屈曲失穩(wěn)，使支撐的滯回曲線一直飽滿，具有良好的耗能性能，如圖2圖所示，能夠看出防屈曲支撐比傳統(tǒng)支撐表現(xiàn)出較好的抗震性能[11]；

(3) 提出了鋼管混凝土防屈曲支撐橫向變形所需的最小縫隙的橫向應(yīng)變計(jì)算公式(1)[12]，通過對(duì)采用不同縫隙的支撐進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，發(fā)現(xiàn)縫隙過大或過小都會(huì)增加混凝土的受力，如果縫隙的過大，會(huì)削弱約束單元的約束剛度；

式中，εx為內(nèi)核單元截面的橫向應(yīng)變；εx為內(nèi)核單元截面的軸向應(yīng)變;v為內(nèi)核單元鋼材的泊松比；Δl為軸向變形量；l為耗能段長度；

(4) 通過摩擦力在混凝土與內(nèi)核單元之間的作用研究發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大，不利于防屈曲支撐的工作，所以使用橡膠、硅膠、聚乙烯和乳膠等無粘結(jié)材料，可以消除內(nèi)核單元與約束單元之間的剪力；

(5) 防屈曲支撐構(gòu)件的在框架結(jié)構(gòu)中布置應(yīng)滿足的原則:[13-14]防屈曲支撐構(gòu)件可沿著平面雙向布置，也可以沿單向布置；防屈曲支撐構(gòu)件在垂直方向可以沿著同一豎向柱距內(nèi)連續(xù)布置，同一個(gè)框架結(jié)構(gòu)中從上到下需要選用同一種支撐形式；為了滿足抗震設(shè)防要求，防屈曲支撐構(gòu)件在平面的對(duì)稱布置，支撐之間的樓蓋長不宜大于3倍的樓蓋寬；安裝在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的防屈曲支撐，對(duì)于其中“人”形支撐構(gòu)件的交點(diǎn)相交梁的中心線.

4 存在的問題

(1) 防屈曲支撐中約束單元存在自身強(qiáng)度不滿足，導(dǎo)致支撐平面外變形產(chǎn)生的橫向力極易使支撐平面自身遭到破壞，因此會(huì)制約其為鋼板支撐提供進(jìn)一步約束的能力；

(2) 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)約束單元的失穩(wěn)荷載與內(nèi)核單元的屈服荷載比值不夠大時(shí)，鋼芯初始缺陷的存在會(huì)劣化支撐的初始剛度；

(3) 防屈曲支撐在強(qiáng)震作用下可能會(huì)產(chǎn)生變形，這種變形很可能是永久性的，這種體系與其他體系一樣,屈服后強(qiáng)度不能自動(dòng)回到初始位置[15]；

(4) 對(duì)防屈曲支撐的局部穩(wěn)定性研究較少，缺乏對(duì)局部失穩(wěn)的機(jī)理分析.尚未提出保證支撐局部穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)公式，并且對(duì)其影響因素討論較少.防屈曲支撐技術(shù)還屬于個(gè)人或企業(yè)的技術(shù)，不對(duì)外公開.沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，因而其設(shè)計(jì)、制作、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不一；

(5) 對(duì)防屈曲支撐疲勞性能的研究都是從統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，用試驗(yàn)結(jié)果擬合模型中的參數(shù)進(jìn)行操作.因此不能從根本上解釋這些參數(shù)的來源.這些數(shù)據(jù)來源于所有類型的支撐，若是用于特定類型的防屈曲支撐則缺乏準(zhǔn)確性.

5 建議與展望

(1) 目前我國學(xué)者及專家們對(duì)于防屈曲支撐的研究，主要集中在防屈曲支撐自身性能的研究.學(xué)者們不斷改變防屈曲支撐的構(gòu)造，并且制造出許多具有優(yōu)良抗震耗能的支撐構(gòu)件.而這些新型的防屈曲支撐未被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中，造成知識(shí)產(chǎn)權(quán)的浪費(fèi)，建議把這種新型防屈曲支撐應(yīng)用到適合的結(jié)構(gòu)體系中，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震效果研究；

(2) 建議如何提高約束單元的自身強(qiáng)度，防止鋼芯初始缺陷造成的劣化支撐的初始剛度現(xiàn)象，以及鋼管混凝土防屈曲支撐在框架結(jié)構(gòu)中抗震性能、抵抗風(fēng)載等側(cè)力性能進(jìn)行研究討論；

(3) 研究出一套既適用于混凝土防屈曲支撐結(jié)構(gòu)框架體系，又滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)理論，不僅對(duì)于研究防屈曲支撐對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系的影響有所幫助，而且對(duì)于防屈曲支撐的應(yīng)用及推廣也會(huì)起到推動(dòng)作用.

參 考 文 獻(xiàn)

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