约束屈曲支撑-框架结构体系分析

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　　摘 要 屈曲约束支撑作为一种新型的耗能支撑，已广泛应用于框架中。屈曲约束支撑是一种性能优良的消能减震构件和承载力构件，合理设计的屈曲约束支撑在核心单元达到抗倾覆极限承载力之前不发生整体失稳破坏，延性和耗能能力比普通钢支撑好。本文就约束屈曲支撑-混凝土框架结构体系展开探讨。
　　关键词 高烈度;多遇地震;罕遇地震;弹塑性;时程分析
　　引言
　　震害经验表明，单一抗侧力结构体系的破坏程度往往高于双重抗侧力结构体系，钢支撑-混凝土框架结构体系属于双重抗侧力结构体系。在地震作用下，钢支撑形成结构的第一道防线，混凝土框架为第二道防线，满足结构抗震计算中多道设防的要求。屈曲约束支撑是一种既可以为结构提供一定的抗侧刚度和承载力，又可以通过钢材屈曲耗散地震能量以保护主体结构的优良抗震构件。
　　1 概述
　　屈曲约束支撑是一种新型钢结构支撑，也是一种耗能支撑。支撑的中心是芯材，是用低屈服点钢材制成的，在轴向力作用下允许有较大的塑性变形，通过这种变形可以达到耗能的目的。为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管内，然后在套管内灌注混凝土或砂浆。屈曲约束支撑框架结构体系是一类特殊的中心支撑框架结构体系，可用于结构的耗能减震设计，利用防屈曲支撑受压、受拉均能屈服，从而在地震作用下通过防屈曲支撑饱满的滞回曲线耗散输入的地震能量，好比结构体系中可更换的保险丝，既可保护其他构件免遭破坏，并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑。屈曲约束支撑通过螺栓或铰连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便经济。屈曲约束支撑常用于框架结构，而框架结构相对于剪力墙结构较柔，在地震作用下，具有较大的侧向位移，在这种情况下，屈曲约束支撑容易进入屈服滞回阶段，发挥明显的耗能作用，增强结构的抗震性能。反观钢筋混凝土剪力墙结构刚度较大，在地震作用下侧向位移相对较小，虽然屈曲约束支撑在钢筋混凝土剪力墙结构中的应用与日增多，但关于屈曲约束支撑在混凝土剪力墙结构中应用的具体性能发挥的还有待跟进，有必要进行后续研究[1]。
　　2 约束屈曲支撑的工作原理
　　屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或BRB（Buckling Restrained Brace），日本及美国等过在该领域都进行立大量的试验研究和工程设计应用。研究结果及实际应用效果表明，屈曲约束支撑在弹性阶段可以为结构提供很好的刚度和充分的承载力，在弹塑性阶段可以起到较好的耗能减震的作用。屈曲约束支撑一般有内部核心部件与外包构件组成，使支撑构件在反复荷载作用下屈服而不屈曲。内部核心构件一般由延性较好的低屈服点钢材组成，外包构件有钢结构或混凝土结构组成。屈曲约束支撑是一种无论受拉还是受压都能达到全截面屈服的轴向受力构件。为避免芯材受压时整体屈曲，使其在受拉和受压时都能达到屈服，在套管内灌注填料来约束芯材，保证芯材不会发生面外失稳。因此，屈曲约束支撑在受压和受拉时具备同样的刚度和承载力。与普通钢支撑相比，屈曲约束支撑具有以下特点：①刚度和承载力的可设计性更强：普通钢支撑的刚度往往由稳定性控制，从而导致其承载力可设计性不强;而屈曲约束支撑的承载力可以完全由截面大小来确定，不必考虑截面过小而引起的稳定性问题。②避免人字形支撑中的剪力不平衡：以往的震害表明，普通钢支撑以人字形布置时，在不发生失稳时，人字撑两端带给上部结构梁的合力方向为水平向;但当受压一侧支撑由于丧失承载力时，会带给上部结构梁额外的剪力，造成梁剪切破坏。③提供更大的变形能力和更优的低周疲劳性能：屈曲约束支撑芯材为高性能软钢，具有更大的变形能力和底周疲劳性能。④提供稳定的滞回耗能能力，消能减震：屈曲约束支撑是一种位移型阻尼器，芯屈服后可以提供很强的滞回耗能能力，为结构提供附加阻尼，从而减小地震作用[2]。
　　3 支撑参数设定
　　屈曲约束支撑的核心单元沿轴线方向一般是变截面的，屈服段与非屈服段的横截面积不相等，屈曲约束支撑的刚度是屈服段和非屈服段的串联刚度，仅由支撑总长和屈服段横截面积两个参数并不能准确计算出支撑的轴向刚度。屈曲约束支撑的轴向刚度与屈服承载力之间存在匹配关系，即Ke=ηPy，轴向刚度与屈服承载力的比值在η范围内变化，核心单元钢材屈服强度不同，支撐的长度不同，η的取值范围也有所不同，如果轴向刚度与屈服承载力之比超出η的取值范围，屈曲约束支撑有可能无法制造。
　　4 约束屈曲支撑抗震性能分析
　　（1）屈曲约束支撑的布置原则。屈曲约束支撑布置位置在满足工艺流程的前提下应布置在其能最大限度地发挥耗能作用的位置：①地震作用效应较显著的位置。②地震作用楼层层间位移较大的楼层。③约束屈曲支撑应沿两个受力主轴分别布置。采用屈曲约束支撑时，宜采用人字形支撑，成对布置的单斜杆支撑形式，不应采用K形或X形，支撑与柱夹角宜在35～55°之间。
　　（2）抗震验算对比分析。对框架结构、屈曲约束支撑-混凝土框架两个模型进行多遇地震及罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析后，就结构周期、间位移角做简要对比分析，阐述屈曲约束支撑对框架结构抗震性能的改善。①结构周期对比分析。由于结构平面长宽比较大，结构质量分布不均匀，质量中心与结构刚度中心不重合，使框架结构扭转明显;通过布置屈曲约束支撑，通过调整支撑布置，使结构质量中心与结构刚度中心趋于重合，很好地改善了结构的扭转效应，使结构受力趋于合理。②层间位移角对比分析。多遇地震作用下计算结果表明，设置屈曲耗能支撑明显提高结构抗侧刚度，层间位移角降低约20%（以首层为例），使结构设计满足抗震设计要求;罕遇地震作用下计算结果表明，屈曲支撑设置有效降低了层间位移，层间位移角降低约41%（以首层为例），较好地控制了结构的变形。
　　5 结束语
　　①带有屈曲约束支撑的混凝土框架结构，屈曲约束支撑屈服一般情况下是在混凝土构件开裂之后。②在钢筋混凝土结构中，屈曲约束支撑也能在相对较小的结构层间位移角情况下进入屈服耗能阶段。③只要结构屈曲约束支撑截面面积选择合适，屈曲约束支撑能在地震作用下能实现相应的性能目标。
　　参考文献
　　[1] 汪家铭，中岛正爱，陆烨.屈曲约束支撑体系的应用与研究进展（I）[J].建筑钢结构进展，2005，7（1）：1-12.
　　[2] 刘珩，吴徽.防屈曲支撑框架的非线性性能研究[C].第六届全国土木工程研究生学术论坛.第六届全国土木工程研究生学术论坛论文集.北京：中国土木工程学会 清华大学，2018：1-5.
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