摘要：以防屈曲支撑的工作原理及计算理论为基础，模拟了在抽除长边中柱及短边中柱、内柱、角柱的工况下BRB模型的非线性静力分析，并对比同一荷载工况下普通支撑的非线性静力分析结果。分析结果表明：两种支撑在弹性工作阶段所起的作用相差不大，但在抽除中柱和角柱工况下，BRB模型一直处于弹性状态或较晚出现塑性铰，当普通支撑进入塑性阶段后，防屈曲支撑仍能承受较大荷载。
关键词：抗连续倒塌；防屈曲支撑；非线性静力分析；抽除柱
连续倒塌是由于结构局部破坏导致整个建筑结构倒塌或造成与初始破坏不成比例的倒塌。设置支撑会提高结构抗连续倒塌性能。普通支撑设置方式构造简单，但受压时存在屈曲问题。为优化支撑，日本学者Yoshino等于1973年初步提出了墙板式防屈曲耗能支撑[1]，利用剪力墙作为约束体系，约束内置钢板屈曲。国内外学者经过多年的理论和实验分析研发出防屈曲支撑，采用合理的对接方式[2]，这类支撑既能拥有普通支撑的功能，还可通过其反复拉压滞回耗散地震输入的能量[3]。由于其具有非常稳定的力学性能与耗能性能，延性与滞回性能好，得到广泛应用。
1防屈曲支撑的构成及工作原理
1.1防屈曲支撑的类型及构成
防屈曲支撑最初为墙板约束型支撑。其缺点是直接起作用的墙板面积小，无法充分利用材料。为克服这一缺点，出现了如今普遍应用的整体约束型支撑和装配式防屈曲支撑。整体约束型支撑根据材料不同可分为钢筋混凝土约束型、钢管混凝土组合约束型和纯钢约束型支撑。装配式防屈曲支撑与整体约束型防屈曲支撑不同，外围约束构件通过螺丝连接，易控制精度，安装方便，对未损坏的约束构件可重复使用。
防屈曲支撑是由内核单元与约束单元共同构成，由于外围约束单元的约束作用，内核单元在受压时会达到全截面屈服。图1是防屈曲支撑的典型构成。
内核单元 约束单元 支撑构件
图1 防屈曲支撑的典型构成
防屈曲支撑所受荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅起约束芯板受压屈曲的作用。防屈曲支撑在构造上分为三部分，内核单元、约束单元及滑动约束机制。对于内核单元芯板材性，耗能型屈曲约束支撑不要求一定采用低屈服点钢材，屈曲约束支撑型阻尼器一般采用低屈服点钢制作而成。防屈曲支撑的纵向组成[4]如图2所示。
图2 防屈曲支撑的纵向构成
1.2防屈曲支撑工作原理[5]
在弹性工作阶段内，防屈曲支撑与普通支撑差别很小，均为主体结构提供刚度，但在罕遇地震作用或较大荷载作用下，普通支撑一般受压屈服，防屈曲支撑则进入塑性状态，发生塑性变形。其工作原理如下：受压时，内核单元在较小荷载下发生屈服，由于其与约束单元之间存在间隙，所以内核单元变形最大的部位最早与混凝土接触，产生的接触反力限制了这种低阶模态的继续发展，转而向高阶模态发展。高阶模态受到外围约束单元的约束，会向更高阶模态发展。
2防屈曲支撑模型与普通支撑模型对比
采用人字形支撑形式建立屈曲约束支撑钢框架模型，设为BRB模型，与除设置普通支撑外其他均相同的B-1模型进行对比分析。支撑采用TJ型屈曲约束支撑设计手册[6]中Q235系列TJ耗能型屈曲约束支撑产品，并参考选用表中的技术参数。由分析结果对比可知，屈曲约束支撑的周期大于普通支撑。参考地震反应谱曲线可看出，结构周期加长，地震反应加速度降低，地震反应会相应减小，进而可缩小构件截面，降低造价成本。故设置屈曲约束支撑钢框架的抗震性能优于设置普通支撑钢框架[7]。
2.2 非线性静力分析结果对比
采用非线性时程分析方法分析了在抽除长边中柱、角柱工况下，设置两种不同支撑的钢框架抗连续倒塌性能。
2.2.1 抽除长边中柱工况
对B-1与BRB模型分别进行抽除长边中柱工况下的非线性静力分析，采用荷载组合
进行静力增量分析，得到塑性铰发展顺序及失效点荷载位移曲线。B-1模型非线性静力分析塑性铰结果如图3。
图3 塑性铰发展顺序
对于纵向平面，塑性铰先出现在BC跨支撑上，且由下往上发展，随后BC跨的梁左端产生塑性铰，并由低层向高层发展。最后塑性铰出现在CD跨的底层梁两端，由下向上发展。当荷载增加至总荷载的50%时，第一批塑性铰出现，第三批塑性铰出现在荷载加至总荷载的68.75%，当荷载增加至总荷载的87.5%时，CD跨的梁出现塑性铰。对于横向平面，塑性铰出现在荷载加至总荷载的100%。
2.2.2 抽除角柱工况
对B-1、BRB模型进行抽除角柱工况下非线性静力分析，经分析，B-1模型塑性铰仅出现在框架横向平面，BRB模型未出现塑性铰。
当荷载增加至总荷载的50%时，第一批塑性铰出现。第二批塑性铰出现在荷载增至95.5%，最后一批塑性铰出现在总荷载全部施加完成。两种模型失效点荷载位移曲线如图4所示。
图4 B-1、BRB失效点竖向位移荷载曲线
由图8可知，在抽除角柱的工况下，B-1模型加荷至全荷载的50%时支撑就产生了塑性铰，进入塑性状态，而屈曲约束支撑一直处于弹性状态，还可以承受更大荷载。说明BRB模型的抗连续倒塌性能优于B-1模型。
3结语
前文介绍了防屈曲支撑的构成、工作原理、计算理论，并将其与普通支撑进行对比，分析了优缺点。通过对比布置防屈曲支撑的人字形钢框架模型与普通支撑人字形钢框架模型，进行模态分析及非线性静力分析，得到以下结论：
1）防屈曲支撑模型的模态周期大于普通支撑模型，地震反应较小，可减小构件截面，节省造价成本。
2）普通支撑产生塑性铰后，防屈曲支撑仍处于弹性工作状态，能够承受较大荷载，有效减小较大荷载下失效点竖向位移，在弹性工作状态下，防屈曲支撑与普通支撑作用相差不大，具有相同的抗连续倒塌性能。
3）防屈曲支撑与普通支撑一样，只对支撑所在跨的柱失效作用明显，非支撑所在跨柱失效后，屈曲约束支撑不能加强剩余结构的抗连续倒塌性能。
参考文献：
[1] 郎海坡，戚承志，苗启松.防屈曲耗能支撑的发展状况[J].施工技术，2008（s2）：478- 482.
[2] 罗开海，王亚勇，荣维生.屈曲约束耗能支撑试验研究及有限元模拟分析[C]// 全国抗震加固改造技术学术交流会.2005.
[3] 郭彦林，童精中，周鹏.防屈曲支撑的型式、设计理论与应用研究进展[J].工程力学，2016，33（9）：1-14.
[4] 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（2）：1-12.
[5] 刘建彬.防屈曲支撑及防屈曲支撑钢框架设计理论研究[D].清华大学，2005.
[6] 陈骥.钢结学构稳定理论与设计，（第六版）[M].科学出版社，2014：33-34.
[7] 臧晓琳，吕丞丞，董立畅，周楠楠.支撑对装配式钢框架抗连续倒塌性能影响[J].钢结构，2018，33（03）：16-20+82.
论文作者:臧晓琳,吕丞丞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/2/28
标签：屈曲论文; 荷载论文; 塑性论文; 模型论文; 静力论文; 工况论文; 角柱论文; 《基层建设》2018年第35期论文;