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摘要：屈曲约束支撑体系作为阻尼器常应用于高层建筑结构中，本文结合工程实例，分析对3种不同构造的5根轻型屈曲约束支撑试件，进行了循环往复拉压荷载下的力学性能试验。根据试验得到的滞回曲线和试件破坏情况，研发出了合理有效的支撑构造形式，同时建立了轻型屈曲约束支撑的计算模型和设计方法;将轻型屈曲约束支撑应用于大跨空间结构的树形柱支撑中。对算例进行分析计算，结果表明，轻型屈曲约束支撑能够有效防止结构失稳破坏，显著提高结构的抗震性能。
关键词：轻型屈曲约束支撑；大跨空间结构；抗震性能
1试验研究
本文以某工程为例，分析试验变形值分别控制在L/5OO，L/300，L/200，L/150，L/100及Ll80 (L为试件长度)。3种构造形式分别为圆套管型、十字芯板+外套管型和一字芯板+外套管型。图1为加载装置及支撑端部支座照片。
1.1圆套管型
圆套管型试件的基本构造如图2所示，采用内、外钢套管形式，内套管作为芯材，端部非屈服段加焊十字板，外套管作为约束套管，内、外套管间仅通过密贴靠摩擦约束。共进行了3根试件的试验，内、外钢套管截面和十字板均不变。由于内套管壁厚较薄，抵抗拉压往复荷载的能力稍差，所以对于圆套管型试件，若能满足试验变形值L/150(或L/100)循环30圈后，屈服承载力误差和衰减量不超过15%且没有出现明显的低周疲劳现象，即认为满足规范要求。
试件1的内套管采用了焊接钢管，由于焊接钢管的韧性较差，加载到试验变形值为L /200第2圈内套管即被拉断。相应的破坏情况和滞回曲线分别如图3 (a)所示。
试件2进行了一定的改进，将内套管改用热轧无缝钢管，但为便于十字板在非屈服段的连接，在内套管壁进行了开槽焊接，导致屈服段与非屈服段交接位置的内管截面削弱严重。试验变形值L /200加载完成后，在直接加载试验变形值L/100第3圈时交接位置内套管被拉断。相应的破坏情况和滞回曲线分别如图3 (b)所示。
试件3不仅将内套管采用热轧无缝钢管，而且将非屈服段的十字板在内套管壁内侧焊接，避免了内管截面削弱。试验变形值L/150加载完30圈，继续加载到试验变形值L/100第10圈时内套管被拉断，相应的破坏情况和滞回曲线分别如图3 (c)所示。由图3 (c)可以看出，内套管破坏的位置在屈服段内，管壁发生明显颈缩，为韧性破坏。在试验变形值L/150循环30圈后，屈服承载力误差和衰减量不超过15%，且没有出现明显的低周疲劳现象，滞回曲线十分饱满，耗能效果显著。
1. 2十字芯板+外套管型
十字芯板+外套管型试件的基本构造如图4所示，十字芯板作为芯材，端部非屈服段将十字芯板截面扩大，外套管与十字芯板之间通过设置约束钢板和角钢进行受压约束。对于该类试件，需要达到试验变形值L/80循环30圈后，屈服承载力误差和衰减量不超过巧15%，且没有出现明显的低周疲劳现象，即认为满足规范要求。由于十字芯板的韧性较差，试件4在加载到试验变形值L/80第6圈时十字芯板即被拉断。相应的滞回曲线如图5所示。
1. 3一字芯板+外套管型
一字芯板+外套管型试件的基本构造如图6所示，一字芯板作为芯材，端部非屈服段变为十字板，外套管与一字芯板之间通过设置槽钢进行受压约束。共进行了1根试件(试件5)的试验，该类试件的要求同十字芯板+外套管型试件。
试件5在试验变形值L /80加载完30圈，继续加载至第46圈时一字芯板被拉断，相应的破坏情况和滞回曲线分别如图7、8所示。由图7可以看出，一字芯板受拉破坏，没有发生面外屈曲；由图8可以看出，在试验变形值L /80循环30圈后，屈服承载力误差和衰减量不超过巧%，且没有出现明显的低周疲劳现象，滞回曲线十分饱满，耗能效果显著。
2特点和连接方法
根据上述试验结果，并对结果进行分析，研发出了两种合理有效的轻型屈曲约束支撑构造形式，分别为圆套管型和一字芯板+外套管型，并申请获得了两项实用新型专利(专利号分别为ZL 201320419358.9和ZL 201320419521.1)。与普通屈曲约束支撑相比，该类支撑具有重量轻、纯钢构造、约束强度高等特点，适用于大跨空间结构，扩大了屈曲约束支撑的适用范围。
轻型屈曲约束支撑与主体结构的连接有多种方法，可以采用螺栓、销轴或者焊接连接，工程应用中可以根据实际情况灵活选择。
3 承载力计算方法
根据《高层建筑钢结构设计规程》(DG/TJ 08-32-2008)，普通屈曲约束支撑的屈服承载力从
和极限承载力
分别按下式计算:
式中:
为芯板钢材的超强系数，取1.25；
为芯板钢材的屈服强度； A为芯板钢材的截面面积；
为支撑的受压强度调整系数，取1.0；
为支撑的受拉强度调整系数，取1.5。
根据上述公式计算轻型屈曲约束支撑的两种承载力，并将计算值和试验值分别进行对比(表1)。由表1可以看出，计算值和试验值吻合很好，说明轻型屈曲约束支撑的承载力计算可按普通屈曲约束支撑的承载力公式进行。
4算例分析
树形柱建筑造型优美、传力途径合理，越来越多的大跨空间结构采用它作为支撑体系。由于树形柱的支撑长度一般较大，而截面往往受建筑外观限制不能过大，在地震作用下容易发生失稳破坏。图9为2013年雅安地震中，芦山体育馆树形柱支撑的破坏情况。由图可以看出，树形柱支承在看台结构的混凝土圆柱上，作为整个屋面结构的支座，在地震作用下该位置由于刚度突变属于薄弱位置，地震作用比较集中，由于支撑长的细比较大，在地震往复荷载作用下普通钢管支撑发生了弯折失稳破坏，严重影响结构安全。为提高大跨空间结构的抗震性能，将轻型屈曲约束支撑应用于树形柱中，通过以下算例分析，研究其在罕遇地震作用下的抗失稳破坏能力。
4. 1计算模型
采用有限元分析软件SAP2000 v14.2.4对算例进行分析，算例模型如图10所示。采用正放四角锥平板网架，网架平面尺寸63m x 45m，厚2. 5 m，采用8个树形柱支撑，为与上述芦山体育馆的结构类型一致，同样将树形柱支承在直径lm的混凝土圆柱上，两个方向柱距分别为24 m和15m。附加恒载按1.0kN/m2考虑，活载采用0.5kN/m2。树形柱支撑截面采用小
，网架杆件截面采用空间网格结构设计软件MSGS进行了优化，截面范围为小
。
4. 2模态分析
前4阶模态结果如图11所示，第1阶振型为沿柱长跨方向平动，第2阶振型为沿柱短跨方向平动，第3～4阶振型均为网架竖向振动。
4. 3罕遇地震分析
在初始条件(1. 0恒载+0. 5活载)作用下，进行罕遇地震作用下的非线性时程分析，采用E1Centro波，沿X向(长向)输入，峰值加速度400cm /s2，持续时间10s。在罕遇地震作用下，树形柱支撑的变形情况如图12 (a)所示。由于采用普通钢管支撑，长细比较大，在地震拉压往复荷载作用下，出现了明显的弯折失稳破坏。支撑在罕遇地震作用下的最大轴压力与根据欧拉公式计算的屈曲临界力比较见表2，由表可知，支撑最大轴压力明显大于屈曲临界力，支撑必然发生失稳破坏。将普通钢管支撑改用轻型屈曲约束支撑，截面采用与原普通钢管支撑相同的等效截面，其他参数保持不变。罕遇地震作用下，其变形情况如图12 (b)所示。由图可以看出，与普通钢管支撑相比，由于轻型屈曲约束支撑能够有效约束芯材受压屈曲，支撑没有出现失稳破坏，可知其能显著提高结构的抗震性能。
5 结束语
在设计中屈曲约束支撑的使用应注意合理设计屈曲约束支撑的承载力，同时确保与支撑连接的节点的强度，其承载力应大于相应的屈曲约束支撑的承载力；屈曲约束支撑的设置位置一般在地震作用下有产生较大支撑力的部位及层间会产生较大位移的楼层。因此，屈曲约束支撑应向智能化发展，应像飞行器所承的黑匣子功能一样，让实际产生的数据得到有效的记录和分析，为减小地震自然灾害的损失作出有用的理论参考。
论文作者:潘昊
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/28
标签：屈曲论文; 套管论文; 承载力论文; 截面论文; 如图论文; 所示论文; 外套论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;