新型自恢复耗能支撑框架结构抗震性能分析

樊晓伟，徐龙河，逯登成

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）



新型自恢复耗能支撑框架结构抗震性能分析

樊晓伟，徐龙河，逯登成

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

摘要：提出了一种新型支撑构件——预压弹簧自恢复耗能支撑（PS-SCEDB），对其构造形式及自恢复原理进行了介绍，并对采用预压弹簧自恢复耗能支撑和普通防屈曲支撑（BRB）的20层Benchmark钢框架结构的抗震性能进行了对比分析.结果表明，在具有不同PGA的3种地震波作用下，与BRB框架结构相比，PS-SCEDB框架结构层间位移角峰值、有效值及基底剪力均减小.此外，PS-SCEDB框架结构残余变形相比原钢框架结构减小了80%，相比BRB框架结构减小了50%，且PS-SCEDB具备良好的耗能能力和自恢复性能.

关键词：自恢复耗能支撑；框架结构；防屈曲支撑；抗震性能；残余变形

近年来，地震造成的社会和经济问题使得结构抗震技术受到越来越多的关注.框架支撑体系在一定程度上解决了结构的抗侧刚度问题，但是普通支撑在大震往复荷载作用下易造成自身和连接处的失效与破坏，同时支撑屈曲后耗能能力变差，难以有效耗散地震输入能量.防屈曲支撑（buckling restrained brace，BRB）通过设置外围约束元件克服了普通支撑构件易屈曲的缺点，从而提高了自身的耗能能力［1-2］.但是，BRB通过钢材发生塑性变形来耗散地震能量，导致震后留有较大残余变形，增大了后期加固修复难度.强烈地震下结构产生的过大侧向变形及残余变形正是结构破坏倒塌的直接原因，对于即将倒塌或可能经历后续地震的结构，残余变形会对其产生严重影响［3］，此外，当残余变形角大于0.5% 时，结构修复成本大于重建成本，造成不必要的经济损失［4］.

结构中设置自恢复耗能支撑能够有效减小或消除残余变形影响.Christopoulos等［5］和Tremblay等［6］分析了由预应力筋和摩擦装置组成的新型自恢复耗能支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性和设有该支撑的框架结构的地震响应，研究表明支撑展现出饱满的旗形滞回曲线，在大震下自恢复耗能支撑框架的残余变形几乎为零.Miller等［7-8］对设有超弹性形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）杆的新型自复位防屈曲支撑进行了轴向拉伸试验，结果表明该构件能够展现出稳定的旗形滞回曲线，具有有效的耗能能力和良好的自恢复能力，但施加于SMA金属杆的预应力是结构震后残余变形大小的决定性因素.Zhu等［9-11］结合拟静力试验和数值分析结果，验证了所设计的两种自恢复耗能支撑不仅具有与BRB相同的耗能能力，且在卸载后能够消除残余变形对结构的影响.

现有自恢复耗能支撑多采用预应力钢筋或SMA金属丝为构件提供足够恢复力，SMA金属丝不仅具有良好的自恢复性能，而且具备一定的耗能能力，但SMA金属丝在变形后需要通过加热使其恢复至变形前的状态，性能受温度影响较大，预应力钢筋则存在变形性能有限等不足.本文提出了一种新型自恢复耗能支撑——预压弹簧自恢复耗能支撑（pre-pressed spring self-centering energy dissipation brace，PSSCEDB），该支撑利用碟形弹簧为构件提供足够恢复力的同时，满足支撑所需的变形性能.将阐述PSSCEDB的构造方式及工作原理，并对设有PS-SCEDB 和BRB的框架结构的抗震性能进行对比分析.

1　预压弹簧自恢复耗能支撑

1.1支撑构造

PS-SCEDB主要由内管、外管、碟形弹簧和摩擦装置构成，如图1所示.内外管用于传递外荷载，内管为圆形截面薄壁钢管，在中间段焊接十字交叉钢板用以提高支撑的承载能力和变形能力，外管为矩形截面薄壁钢管.摩擦装置的两个摩擦板分别焊接在内外管上，高强螺栓穿过内外管及摩擦板的预留孔洞，对高强螺栓施加预拉力从而挤压摩擦板，当内外管发生相对滑动时摩擦装置耗散地震输入的能量.碟形弹簧置于内管两侧，初始状态下对弹簧施加预压变形，弹簧预压力及摩擦装置中的摩擦力提供正常使用状态下的支撑支持力.此外，内外管分别焊接挡块及挡板用以挤压连接弹簧挡板，连接弹簧挡板不与任何构件焊接，用以传递内外管施加于弹簧的外力，内外管在受拉或受压的过程中，碟形弹簧始终保持受压，恢复力随内外管相对位移的增大而增大，确保了支撑的恢复性能.

图1　PS-SCEDB配置Fig.1 Configuration of PS-SCEDB

1.2工作原理

PS-SCEDB在低周往复荷载作用下能够体现出可重复的旗形滞回性能，如图2所示，支撑在拉压荷载作用下具有对称性.

图2　PS-SCEDB旗形滞回性能Fig.2 Flag-shape hysteretic performance of PS-SCEDB

当支撑受拉时，基于刚度变化支撑的力学性能分为4段.①开始加载至支撑内外管即将发生相对滑动阶段（OA段），该阶段支撑刚度主要由内、外管及弹簧刚度共同决定，设为K1，此阶段为支撑正常使用状态，能够承受的最大荷载为摩擦装置提供的摩擦力F0与预压弹簧的预压力P0之和；②内、外管发生相对滑动至最大位移阶段（AB段），此时荷载P的增加只会引起碟形弹簧的内力变化，因此支撑的刚度主要由碟形弹簧决定，设为K2；③开始卸载至即将恢复阶段（BC段），设卸载前荷载的最大值为Pmax，当P减小为Pmax-2F0时，内、外管开始发生相对滑动，支撑进入自恢复阶段，当Pmax-2 F0＜P＜Pmax时，此时摩擦装置中的摩擦力改变方向，内、外管并没有发生相对滑动，此阶段的刚度与OA段相同，即刚度为K1；④恢复开始至恢复完成阶段（CO段），当P＜Pmax-2 F0时，内、外管再次发生相对滑动，支撑进入自恢复阶段，荷载P的减小只会引起碟形弹簧内力的变化，故此阶段刚度与BC段相同，即刚度为K2，完全卸载后，确保弹簧初始预压力能够克服摩擦装置中的摩擦力即可实现支撑的零残余变形.

利用ANSYS有限元分析软件建立PS-SCEDB的实体单元模型，如图3所示.该支撑全长2 m，外管为300 mm×300 mm×7 mm的矩形截面薄壁钢管，内管为内径56 mm、外径70 mm的圆形截面薄壁钢管，并在内管上焊接10 mm厚的十字交叉钢板，以提高构件承载能力和变形能力.内、外管及十字交叉钢板均采用Q235钢材，其余挡板和挡块采用Q345钢材，摩擦系数取0.2.在图4所示加载工况下，弹簧预压力为260 kN、摩擦装置提供摩擦力为250 kN时，PS-SCEDB的滞回曲线如图5所示.旗形滞回曲线饱满，具有一定的耗能能力，并且支撑在完全卸载后的残余变形趋于0，具有良好的自恢复性能.

图3　PS-SCEDB有限元模型Fig.3 Finite element model of the PS-SCEDB bracing system

图4　加载方案Fig.4 Loading scheme

图5　PS-SCEDB滞回曲线Fig.5 Hysteretic curves of the PS-SCEDB

2　支撑框架结构抗震性能对比分析

图6　钢框架模型结构立面图Fig.6 Elevation of steel frame model structure

2.1Benchmark钢框架模型

采用20层Benchmark钢框架结构模型［12］，分别设置PS-SCEDB和BRB，输入El-Centro波、Taft波和Tianjin波3条地震波，加速度峰值（PGA）分别调整到0.2g、0.4g和0.6g进行抗震性能对比分析.结构平面尺寸为30.5 m×36.6 m，x方向5跨，y方向6跨，各跨间距6.1 m.原结构地上20层，地下两层，本文只取地上部分进行建模.首层层高5.49 m，标准层层高均为3.96 m，总高80.73 m，结构立面图如图6所示.支撑与钢框架铰接，采用人字形布置，只在y方向第1、2、4、6、7榀布置支撑，沿各层通高布置.采用有限元软件ANSYS建模分析，利用Beam188单元模拟梁柱构件，Shell63单元模拟楼板，Link8单元模拟支撑构件，有限元模型如图7所示.现有ANSYS软件中没有满足PS-SCEDB这种特殊旗形滞回特性的材料本构模型，故本文采用双折线弹性模型和纯摩擦的弹塑性滞回模型相叠加进行模拟，叠加滞回曲线与PS-SCEDB实体单元模拟滞回曲线基本一致，可有效反映PS-SCEDB在框架结构中的滞回特性.

图7　支撑框架有限元模型Fig.7 Finite element model of braced frame

2.2抗震性能评估指标

选用结构响应评估指标J1～J6对设有PSSCEDB和BRB的框架结构抗震性能进行评估.J1、 J2、 J3分别依据层间位移角峰值、层加速度峰值和基底剪力峰值计算所得，即

式中：di（t）为每个地震工况下结构层间位移随时间变化值；hi为相关层层高；δmax为纯钢框架结构地震作用下最大层间位移角，和分别为地震作用下设有支撑框架结构和纯钢框架结构的第i层绝对加速度；mi为结构第i层质量；为每个地震工况下纯钢框架结构的最大基底剪力.

J4、 J5、 J6分别是基于结构的层间位移角有效值、层加速度有效值和基底剪力有效值计算所得，其表达式为

式中tf为地震作用持续时间.

2.3抗震性能评估与分析

2.3.1结构响应控制与分析

PS-SCEDB与BRB采用相同“屈服力”原则设计，“屈服力”指支撑由第1刚度进入第2刚度时所对应的力.表1和表2分别为PS-SCEDB框架和BRB框架的结构响应评估指标J1～J6.从两表中可看出，PS-SCEDB框架在PGA分别为0.2g、0.4g和0.6g 的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下结构层间位移角峰值评估指标J1位于0.537～0.937之间；有效值评估指标J4位于0.589～0.773之间.而BRB框架在不同强度的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下结构层间位移角峰值评估指标J1位于0.675～0.981之间；有效值评估指标J4位于0.710～0.832之间.不同强度地震输入下，两框架结构的J1和J4均小于1，说明PS-SCEDB框架与BRB框架受地震作用产生的层间位移响应均小于纯钢框架，PS-SCEDB 和BRB对纯钢框架结构的位移响应起到了很好的控制作用，且PS-SCEDB框架的J1和J4数值变化范围小于BRB框架，说明PS-SCEDB对层间位移角峰值及有效值的控制好于BRB.

PS-SCEDB框架和BRB框架在PGA分别为0.2g、0.4g和0.6g的3种地震波作用下，结构加速度峰值评估指标J2分别位于0.925～1.238和0.956～1.167之间，有效值评估指标J5分别位于0.983～1.175和1.00～1.094之间，设置支撑后，结构层刚度增加，PS-SCEDB与BRB一样会使纯钢框架结构加速度响应出现不同程度的放大.此外，PS-SCEDB框架和BRB框架在不同强度的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下结构基底剪力峰值评估指标J3分别位于0.954～0.988和1.00～1.027之间，有效值评估指标J6分别位于0.935～0.965和0.975～1.015之间，说明PS-SCEDB使纯钢框架结构及BRB框架结构的基底剪力得到一定程度的减小.

表1　PS-SCEDB框架结构响应评估指标计算值Tab.1 Evaluation criteria values of building responses of PS-SCEDB frame

表2　BRB框架结构响应评估指标计算值Tab.2 Evaluation criteria values of building responses of BRB frame

表3　PS-SCEDB框架层间位移角减小值Tab.3 Reduction values of interstory drift of PS-SCEDB frame

表3列出了PS-SCEDB框架层间位移角相对纯钢框架和BRB 框架的减小值，图8为PGA=0.6g时El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下纯钢框架、PS-SCEDB框架和BRB框架结构层间位移角变化曲线.从表3和图8可看出，BRB框架和PS-SCEDB框架在PGA=0.6g的3种地震波作用下的最大层间位移角峰值分别1/118和1/123，均小于抗震规范中“消能减震结构的层间弹塑性位移角限值1/80”的要求，能够达到抗震设计中关于“大震不倒”的设防目标，且地震作用时，相比BRB框架，PS-SCEDB框架的层间位移角峰值更小.不同PGA的El-Centro波、Taft波和Tianjin波作用下，同纯钢框架相比，PSSCEDB框架层间位移角峰值减小6.3%～46.3% ，有效值减小22.7% ～41.1% ；同BRB框架相比，PSSCEDB框架层间位移角峰值减少4.4% ～22.2% ，有效值减少7.0% ～18.0% .说明PS-SCEDB框架结构无论是柱子、支撑或是非结构构件的变形都将更小，可更好地保护构件安全.

图8　PGA=0.6g时不同地震波作用下各框架结构层间位移角变化曲线Fig.8 Variation curves of interstory drift of each frame under different earthquakes when PGA=0.6g

对于纯钢框架，若要减小结构在大震下的变形，增强结构抗震性能，多采用加大梁柱截面尺寸的方式，使其接近弹性，但同时结构总体建筑费用增加.在不增加主体结构截面尺寸前提下有效控制结构震中变形，提高抗震性能，PS-SCEDB更加经济适用. 与BRB相比，在结构初始条件相同且支撑具有相同“屈服力”的前提下，PS-SCEDB对层间位移角的控制更好，有利于保护主体结构及非结构构件安全.

2.3.2残余变形控制与分析

地震作用下PS-SCEDB与BRB消耗地震输入能量以保护结构主体安全，但BRB进入塑性耗能使得震后结构留有较大残余变形，而PS-SCEDB通过摩擦装置耗能后，碟形弹簧起自恢复作用，达到减小结构残余变形的目的.图9（a）和（b）分别为PGA= 0.4g和PGA=0.6g时El-Centro波作用下结构顶层位移时程曲线.由图可知：在PGA=0.4g的El-Centro作用下，纯钢框架结构震后残余变形为25.8 mm，BRB框架结构震后残余变形为10.5 mm，PS-SCEDB框架结构震后残余变形仅为5.4 mm，比纯钢框架结构减少79.1% ，比BRBF减少48.6% ；在PGA=0.6g的El-Centro波作用下，PS-SCEDB框架震后残余变形仅为7.5 mm，相比纯钢框架减少80.7% ，比BRB框架减少55.6% ，说明中小地震作用时，PS-SCEDB具备良好的自恢复性，可有效减小结构残余变形影响，直至地震强度过大导致PS-SCEDB碟形弹簧失效，失去自恢复功能，但PS-SCEDB仍能发挥一定耗能作用，减小结构损伤.

图9　El-Centro波作用下结构顶层位移时程曲线Fig.9 Roof displacement time history of structure due to El-Centro earthquake

3　结 论

本文提出了一种新型自恢复耗能支撑，对其构造及工作原理进行了介绍，并对比分析了采用PSSCEDB和BRB的框架结构的抗震性能，所得结论如下.

（1）在不同PGA框架的3种地震波作用下，同纯钢框架相比，PS-SCEDB框架结构层间位移角峰值最大减小46.3% ，有效值最大减小41.1% ，相比BRB框架，PS-SCEDB框架层间位移角峰值最大减小22.2% ，有效值最大减小18.0% ，说明PS-SCEDB对纯钢框架的层间位移角峰值及有效值起到了有效控制，且控制要好于BRB.不同强度地震作用时，PSSCEDB使纯钢框架及BRB框架结构的基底剪力得到一定程度的减小且与BRB一样会使纯钢框架结构加速度响应出现不同程度的放大.

（2）地震作用时，PS-SCEDB的摩擦装置通过摩擦耗散地震能量的同时，碟形弹簧起自恢复作用，减小结构残余变形.中小地震作用下，PS-SCEDB框架结构残余变形相比纯钢框架减小80% ，相比BRB框架减小50% ，说明PS-SCEDB使纯钢框架及BRB框架结构的震后残余变形得到了有效控制，具备良好的自恢复性能.

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（责任编辑：樊素英）

Seismic Performance Analysis of New Self-Centering Energy Dissipation Braced Frame Structure

Fan Xiaowei，Xu Longhe，Lu Dengcheng
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Abstract：A new type of bracing device，pre-pressed spring self-centering energy dissipation brace（PS-SCEDB），is proposed in this paper，and the configuration and self-centering mechanics of this system are described. Furthermore，using a 20-story benchmark steel frame structure as numerical example，comparisons of the seismic performances between structure with PS-SCEDBs and structure with buckling restrained braces（BRBs）are conducted. Results indicate that the peak interstory drift，the normed interstory drift，and the base shear of frame structure with PS-SCEDBs are all obviously reduced compared with those of structure with BRBs due to three kinds of earthquake records with different PGAS. Additionally，the residual deformations of frame structure with PS-SCEDBs are reduced by 80% compared with the original frame structure，and 50% compared with the frame structure with BRBs，and the PS-SCEDB system exhibits full hysteretic performances with good energy dissipation capacity and selfcentering behavior.

Keywords：self-centering energy dissipation brace；frame structure；buckling restrained brace；seismic performance；residual deformation

中图分类号：TU352

文献标志码：A

文章编号：0493-2137（2016）04-0385-07

DOI:10.11784/tdxbz201409013

收稿日期：2014-09-09；修回日期：2014-12-08.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51322806）；北京交通大学基本科研业务费（2015YJS110）.

作者简介：樊晓伟（1991— ），男，博士生，15115317@bjtu.edu.cn.

通讯作者：徐龙河，lhxu@bjtu.edu.cn.