陳麒丞 陳泰北 孫子超 王 健 魯軍凱

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

防屈曲支撐自20世紀(jì)80年代末在日本被提出以來(lái)，因其具有良好的延性及耗能能力而被世界多國(guó)廣泛應(yīng)用于各種抗震建筑中。在我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)程及抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1,2]中均要求，防屈曲支撐在滯回循環(huán)加載中應(yīng)具有穩(wěn)定的性能，但是，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)芯屈服前，防屈曲支撐可能會(huì)在其連接段提前發(fā)生失穩(wěn)破壞。我國(guó)臺(tái)灣的蔡克銓等人也在其完成的防屈曲支撐框架試驗(yàn)中介紹了這種破壞模式，日本的Takeuchi等人[3]以及我國(guó)臺(tái)灣的蔡克銓等人分別在其完成的子系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中觀察到了這一破壞現(xiàn)象。為避免發(fā)生此類(lèi)破壞，文獻(xiàn)[4]～[6]中分別給出了不同的穩(wěn)定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其中，蔡克銓等人[4]建議采用受壓桿的屈曲荷載評(píng)估連接段的穩(wěn)定承載力。Koetaka等人[5]認(rèn)為彎矩在支撐上的分布并不連續(xù)，進(jìn)而用相應(yīng)的力學(xué)模型分析了連接段的受力特性。在Hikino等人[6]提出的力學(xué)模型中也采用了Koetaka等人[5]的假設(shè)，不過(guò)其假設(shè)連接段為剛體。本文對(duì)以上方法進(jìn)行了回顧和比較，并針對(duì)存在的不足提出建議。

1 蔡克銓等人方法

蔡克銓等人[4]于2008年完成了一榀三層三跨防屈曲支撐鋼框架的擬動(dòng)力試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究(見(jiàn)圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于與防屈曲支撐連接的節(jié)點(diǎn)板，當(dāng)不進(jìn)行加勁時(shí)，其穩(wěn)定承載力可按一端固接一端自由的受壓桿的力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的受壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取K=2.0(見(jiàn)圖1b))；而對(duì)于加勁節(jié)點(diǎn)板，則可用邊界條件為固接的受壓桿的穩(wěn)定承載力評(píng)估連接節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定承載力(計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取K=0.65，如圖1c)所示)。但是，這種將支撐連接簡(jiǎn)化為懸臂梁(或固支梁)的做法并不符合連接段實(shí)際的受力及變形特性，而且文中也沒(méi)有對(duì)這種設(shè)計(jì)方法給出進(jìn)一步的解釋。

2 Koetaka等人方法

Koetaka等人[5]通過(guò)理論分析建立了防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)公式，并通過(guò)一榀防屈曲支撐鋼框架驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法。如圖2所示，在其提出的力學(xué)模型中，考慮梁對(duì)支撐受力性能的影響，即將上部梁視為一個(gè)端部帶有抗側(cè)剛度及轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的剛體(長(zhǎng)度為梁高度的一半)，且該剛體下部與支撐上端連續(xù)。下部梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)支撐的約束視為固接。同時(shí)，該模型忽略約束構(gòu)件的彎矩傳遞作用，即假設(shè)內(nèi)芯在軸力作用下會(huì)在約束構(gòu)件端部附近形成一個(gè)不傳遞彎矩的塑性鉸。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上端梁提供的抗側(cè)剛度及轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，支撐連接段的屈曲荷載為:

(1)

其中，ξ為連接段占支撐全長(zhǎng)的比例；rJEIB為連接段的抗彎剛度；L0為支撐全長(zhǎng)。當(dāng)上端梁提供的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度KR不足時(shí)，支撐連接段的屈曲荷載為：

(2)

(3)

需要說(shuō)明的是，盡管該方法考慮了與支撐連接段相連的節(jié)點(diǎn)域的約束作用，但是忽略了內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的間隙，因此不能反映內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)。此外，該方法也沒(méi)有考慮初偏心以及約束構(gòu)件的初始缺陷對(duì)支撐連接段受力性能的不利影響。

3 Hikino等人方法

Hikino等人[6]基于相似的邊界條件給出了防屈曲支撐的力學(xué)分析模型，與Koetaka等人方法不同的是，Hikino等人的方法將支撐的連接段視為剛體，進(jìn)而得到了與式(3)一致的結(jié)論。這種將連接段視為剛體的做法雖然能進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析和設(shè)計(jì)，但是依然無(wú)法揭示防屈曲支撐真實(shí)的受力機(jī)理。

4 防屈曲支撐受力機(jī)制及設(shè)計(jì)建議

地震作用下，合理設(shè)計(jì)的支撐連接段應(yīng)能穩(wěn)定可靠的將結(jié)構(gòu)的側(cè)向力傳遞給耗能內(nèi)芯，并利用內(nèi)芯的塑性變形消耗地震能量。因此可以說(shuō)，支撐連接段的穩(wěn)定性是保證防屈曲支撐耗能能力及結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。實(shí)際上，內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間存在間隙，因此在軸力作用下，內(nèi)芯的耗能段會(huì)發(fā)生屈曲而與約束構(gòu)件接觸。隨著軸力的不斷增加，內(nèi)芯與約束構(gòu)件的接觸力及約束構(gòu)件的彎矩相應(yīng)也隨之增加。

由此可知，針對(duì)文獻(xiàn)[4]～[6]方法存在的不足，給出如下設(shè)計(jì)建議：

1)力學(xué)模型應(yīng)考慮內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的彎矩傳遞機(jī)制。

2)應(yīng)分別建立支撐內(nèi)芯與約束構(gòu)件的力學(xué)模型，并基于二者之間的相互作用機(jī)制建立內(nèi)芯與約束構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)條件，明確支撐的受力特性。

3)力學(xué)模型中應(yīng)考慮安裝誤差導(dǎo)致的初偏心及約束構(gòu)件初彎曲對(duì)支撐受力性能的不利影響。

4)地震作用下，支撐連接段還可能發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn)，因此應(yīng)考慮框架變形下支撐連接段的受力特性。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)目前存在的防屈曲支撐連接段的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹和分析，相關(guān)結(jié)論如下：

1)防屈曲支撐的構(gòu)造雖然比較簡(jiǎn)單，但想要準(zhǔn)確揭示防屈曲支撐的受力機(jī)制及明確一些關(guān)鍵理論問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。

2)應(yīng)考慮內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的彎矩傳遞機(jī)制。

3)應(yīng)基于內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的相互作用機(jī)制建立二者之間的變形協(xié)調(diào)條件，明確支撐的受力特性。

4)應(yīng)考慮初偏心及約束構(gòu)件初彎曲對(duì)支撐連接段受力性能的不利影響。

5)應(yīng)進(jìn)一步考慮支撐連接段的平面內(nèi)穩(wěn)定問(wèn)題。