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(guó)的建筑中均作為一種有效的抗震方式進(jìn)行使用。防屈曲支撐耗能機(jī)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(guó)對(duì)于防屈曲支撐的應(yīng)用和研究越來(lái)越多。通過(guò)防屈曲支撐的外圍構(gòu)件約束，使支撐在拉壓狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)屈服耗能且不會(huì)失穩(wěn)破壞，同時(shí)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(dāng)滿足強(qiáng)度要求時(shí)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(guò)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(diǎn)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(guò)無(wú)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(shí)膨脹，同時(shí)防止內(nèi)核鋼材由于泊松效應(yīng)進(jìn)而引起橫向接觸。

圖1 防屈曲支撐構(gòu)造示意圖

通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)即通過(guò)核心段區(qū)域進(jìn)行屈服耗能。連接段為內(nèi)核與框架節(jié)點(diǎn)板連接區(qū)域，由于無(wú)外圍約束構(gòu)件的保護(hù)，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(guò)渡段為核心段與連接段的過(guò)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(shí)可以通過(guò)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(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在做相關(guān)研究來(lái)提升防屈曲支撐的性能。在國(guó)外方面，日本學(xué)者Twata[4]針對(duì)鋼管混凝土約束性防屈曲支撐構(gòu)件加工難度大的問(wèn)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(wèn)題。國(guó)內(nèi)方面，李妍等[5]學(xué)者設(shè)計(jì)了6根方管約束一字型的防屈曲支撐構(gòu)件，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)表明內(nèi)芯屈服段外露時(shí)，會(huì)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(jì)了環(huán)箍形式防止鋼管端部局部破壞。

1.3 工作機(jī)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(huì)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(guò)內(nèi)芯承擔(dān)，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(fēng)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(diǎn)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(shí)防屈曲支撐的受力特性可以解決由于強(qiáng)度和剛度的削弱易發(fā)生疲勞斷裂等性能問(wèn)題，拉壓兩個(gè)方向的強(qiáng)度與剛度一致，滯回曲線穩(wěn)定。

2 國(guó)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(guò)普通支撐框架與防屈曲支撐框架分別進(jìn)行試驗(yàn)，將結(jié)構(gòu)變形圖和單向水平加載下的荷載-位移曲線對(duì)比，說(shuō)明了防屈曲支撐在減震方面的優(yōu)勢(shì)。

2010年，Zhao JX等[8]學(xué)者針對(duì)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(shí)并不焊接，外圍約束構(gòu)件采用角鋼相扣焊接，進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)后標(biāo)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(duì)內(nèi)芯板無(wú)粘結(jié)性材料的耐久性問(wèn)題，提出了內(nèi)芯分段組合解決方案，外圍構(gòu)件由兩根獨(dú)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(wú)粘結(jié)問(wèn)題。同時(shí)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(kāi)進(jìn)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(shí)對(duì)于屈服位移僅由支撐與框架的夾角，內(nèi)芯材料強(qiáng)度和框架層高決定。

2006年，Kiggins S等[11]針對(duì)加入抗彎鋼框架的防屈曲支撐雙重結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，并分別對(duì)一個(gè)3層和6層支撐框架進(jìn)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(shí)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(wèn)題

近年來(lái)我國(guó)關(guān)于防屈曲支撐的研究取得了很大進(jìn)步，但是隨著研究的進(jìn)行仍需要解決以下問(wèn)題。

1)由于在實(shí)際工程中的屈服位置和試驗(yàn)屈服位置會(huì)存在偏差，因此，設(shè)計(jì)的防屈曲支撐會(huì)和實(shí)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(diǎn)的鋼材焊接而成，因此，造成防屈曲支撐的加工困難，同時(shí)由于多數(shù)防屈曲支撐采用無(wú)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(duì)麻煩。

3)目前防屈曲支撐的研究雖然有很大進(jìn)展，但是很少使用在工程項(xiàng)目上，因此，未來(lái)需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研一體化，將研究應(yīng)用于實(shí)踐中。

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