论自复位防屈曲支撑钢框架减震性能

张 国 锋

(赛鼎工程有限公司，山西 太原　030032)



论自复位防屈曲支撑钢框架减震性能

张 国 锋

(赛鼎工程有限公司，山西 太原030032)

介绍了自复位防屈曲支撑的构造原理，采用ANSYS有限元软件，建立了自复位防屈曲支撑滞回模型，数值分析了自复位防屈曲支撑钢框架的减振性能，得出了一些有价值的结论。

防屈曲支撑，钢框架，复位系统，地震响应

防屈曲支撑发展至今已经有大约40年的历史，技术趋于成熟、制度标准相对比较完善，是一种有效的对抗侧力的减震设备。在强震或者中震中，防屈曲支撑能够实现全截面的屈服，不会对局部或者整体结构产生损坏，有效的对地震所产生的能量进行耗散。然而，防屈曲支撑钢框架结构可以依靠其所具有的形变能来消耗强大外力带来的能量。防屈曲支撑结构在强震的作用下，肯定会发生较大的残余变形。自复位防屈曲支撑钢框架在残余变形方面具有较好的复位能力，有效的解决了残余变形的问题。

1　自复位防屈曲支撑的构造原理

1.1自复位防屈曲支撑的基本构造

自复位防屈曲支撑钢框架结构由内方钢管和外方钢管两者组成起到支撑的作用。在内管和外管的上部需要安装一个连接板，对各个构件来进行连接(见图1)。左侧的连接管由槽孔和内管两者进行连接来对其进行固定；右侧的连接管由槽孔和内管两者进行连接来对其进行固定。外管的中间位置设置有槽孔，穿过槽孔将内部和外管的摩擦板进行连接，借助高强螺栓进行固定。左右端板上有四根高强度的钢绞线固定于此，并且借助端板将预应力来进行传递，从而形成一个完整的支撑结构。

1.2自复位防屈曲支撑的工作原理

在自复位防屈曲支撑钢框架的两侧同时给一个外力，当外荷载力与内管、外管的摩擦力之和小于钢绞线的预应力时，即0PO+F时，则自复位防屈曲支撑钢框架的内管和外管会发生一定程度的位移，并且产生一定的能耗；当外荷载P开始减小时，当PO-F≤P≤PO+F时(PO≈1.2F)，摩擦板之后会形成方向作用力，不发生耗能；当P

2　ANSYS计算模型的建立

2.1自复位防屈曲支撑滞回模型的建立

支撑滞回模型的建立借助计算机完成，采用七层五榀两跨的结构。自复位防屈曲支撑钢框架模型的建立需要从底部连续向上进行建立，连续布置于第二榀及第四榀框架结构中，如图2所示。框架层高大约为3.6 m，跨距为7.7 m，处于第Ⅲ类场地，地震分组第二组，抗震设防烈度为8度，强震结构中阻尼比为0.55。在软件中没有符合自复位防屈曲支撑模型的滞回模型，所以，需要将滞回模型分为两个模型来进行分析，并且两者都可以使用软件来对其进行分析，将两者模型所得到的结构进行叠加就得到自复位防屈曲支撑的模型。

2.2材料特性及相关参数

自复位防屈曲支撑钢框架将双线性随动硬化材料模型来作为梁和柱的材料，并且材料的弹性数值为2.06×105MPa，材料的屈服强度为205 MPa，材料的泊松比为0.3，材料的密度为7 850 kg/m3，材料的强化模量为4 120 MPa。

自复位防屈曲支撑钢框架采用相同的两个Link8单元来进行模型的搭建，最为关键的模型材料为多弹性材料，弹性的模量数值为1.3×106MPa，泊松比为0.3，应变点和应力点分别为0.000 3和390 MPa，0.01和1 950 MPa；另一个为双线性随动硬化材料模型，弹性的模量数值为1.2×106MPa，泊松比为0.3，屈服强度为360 MPa，强化模量为0，密度为7 850 kg/m3。相同的Link8单元截面实常数值为0.001 m2，其长度为8.32 m。

防屈曲支撑采用单一的Link8单元来进行模型的搭建，采用的材料模型是双线性随动硬化材料模型，其中，弹性的模量数值为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa，强化模量为6 589 MPa，密度为7 850 kg/m3。Link8单元截面实常数为0.002 2 m2，长度为8.32 m。

各项相同的弹性材料模式为楼板，其弹性模量为3.0×104MPa，泊松比0.3，楼板的厚度为0.15 m，密度为2 500 kg/m3。

2.3边界条件及地震波的施加

自复位防屈曲支撑钢架的柱脚节点需要与地基进行焊接，并且梁和柱的结点也需要借助焊接的方式来进行固定，支撑板与梁、柱的结点需要借助耦合的方式来进行连接和固定。楼板的荷载值大约为2 kN/m2，所具有的重力加速度为9.81 m/s2，积分步长0.01 s，可持续的时间大约为19.19 s。为了更好的模拟强震环境中的地震效果，将地震波的数值需要调节到400 cm/s2，如图3所示。为了更加准确的得到在强震环境下自复位防屈曲支撑钢架的残余变形数值，因此，需要增加20 s的加速度。

3　结果对比

3.1对比准则的建立

自复位防屈曲支撑钢架和防屈曲支撑钢框架两者在支撑方面具有共同点。因此，在进行实验时，需要选择759 kN的屈服力来进行对比。地震响应需要与第三榀框架梁保持平行状态，借助柱结点UX方向的位移数值来对自复位防屈曲支撑钢架和防屈曲支撑钢框架的复位情况进行比较。

3.2结构地震响应分析

为了有效的对自复位防屈曲支撑结构的抗震性能进行充分的考察，需要对自复位防屈曲支撑(SCBRB)钢框架和防屈曲支撑(BRB)钢框架、无支撑抗弯钢框架(NMRF)三者进行时程分析研究。抗弯钢框架结构中主体框架不但需要承担重力，而且还需要梁柱构件的弯曲变形来对外力进行抵抗。

自复位防屈曲支撑钢框架中，αs为0.5，αc为0.5，β为0.5，αB/M取3.0，依照数据来进行结构的设计。为了更好的对自复位防屈曲支撑钢框架和防屈曲支撑钢框架具有对比性，在进行设计时，需要将自复位防屈曲支撑和防屈曲支撑的第一轴向刚度和轴向屈服力相同。自复位防屈曲支撑和防屈曲支撑轴向参数见表1，各层结构的支撑截面相同，初始周期相同。

表1　SCBRB及BRB支撑参数

时程分析结构如表2所示。表2中所显示的数据为第三条地震波的包络值。通过数据可以看出，在强震的作用下，普通的抗弯钢框架最大的位移角达到了7.2%，残余变形也达到了5.6%;防屈曲支撑钢框架中最大位移角为2.8%，残余变形位移角为0.8%；自复位防屈曲支撑钢框架中由于存在复位系统，其残余变形位移角小于0.1%。但是，自复位防屈曲支撑钢框架和防屈曲支撑钢框架的剪重比相差不多，主要是由于自复位防屈曲支撑钢框架的第二刚度力大于防屈曲支撑钢框架。所以，将位移角作为评价的指标更加的科学合理。

表2　不同结构的响应

4　减震效果的影响参数分析

4.1支撑与主体结构刚度比αB/M

支撑结构和主体结构之间的刚度比αB/M越大，支撑结构所发挥的作用就越大。建筑物的高度一定时，结构的合理基本周期值相对稳定。支撑结构和主体结构的刚度比αB/M越大，主体结构发挥的刚度力越小。因此，可以对梁柱结点的连接方式进行改变，来对主体结构的刚度进行改变。

选择为αB/M为3，5，7的3个结构，可以得到主体框架的周期和整体结构周期之比以及其刚度之间的关系:

(1)

结构的周期TMO，TTO与刚度比αB/M之间的关系：

(2)

当αB/M=3时，支撑结构中最大的位移角和层间的位移角数值最小，是αB/M为5，7的0.8倍，主要原因是当αB/M=3时，结构中的总刚度为最大值，αB/M=3时，底部的剪力为最小值，由此可以看出结构处于非线性工作的环节。可以从控制残余变形和最大变形的角度来进行分析，在地震作用力下，当梁端αB/M=3时，是最科学的选择。

4.2耗能系统与复位系统的屈服力比β

耗能系统和复位系统之间的屈服力比用β表示，β可以对复位防屈曲支持结构的耗能能力产生影响，β值越大，则系统耗能的能力就越强。当β=0时，代表耗能曲线饱满；当β=0.9时，代表无耗能，两种结构的模型如图4所示。主体结构梁柱结点采用刚接模式，在进行设计时，结构和参数保持不变，仅对β数值进行改变。为了使结构更加的具有可比性，需要选择不同的β数值，并且使β=0和β=0.9的结构模型中初始刚度和第二刚度保持相同，具有相同的屈服力。

当β=0时自复位防屈曲支撑框架结构模型的层间位移角为4.8%，当β=0.9时，自复位防屈曲支撑框架结构的层间位移角为4.0%，由此可以看出，主体结构已经明显屈服，支撑复位可以从残余变形的位置恢复到初始位置。当β=0时，结构的位移角较大，由此说明耗能系统可以对自复位防屈曲支撑结构具有一定的减震作用。为了使得结构中耗能和复位达到平衡，需要将β控制在0.5～0.9之间。

4.3耗能系统与复位系统的刚度比αc

在确保β值不发生变化时，αc的大小与系统的屈服有关，并且αc会对滞回曲线的饱满程度产生影响，也就是对结构的耗能能力产生影响。当αc为0.1,0.3,0.5时，三个不同结构模型中初始周期相同。对结构进行分析之后，当αc为0.1,0.3时，结构模型中最大层间位移角和残余层间位移角相差较小，当αc为0.5时，结构模型中最大层间位移角和残余层间位移角数值最小。由此可见，最大位移的大小会随着αc的增大而减小。

5　结语

通过对三种不同模型的最大层间位移角、残余层间位移角等进行对比，发现自复位防屈曲支撑结构具有明显的优势。自复位防屈曲支撑钢框架在残余变形方面具有较好的复位能力，减少了钢框架结构的残余变形。

[1]刘璐,吴斌,李伟.一种新型自复位防屈曲支撑的拟静力试验[J].东南大学学报(自然科学版),2012(3)：72-73.

[2]潘振华,潘鹏,叶列平.自复位钢框架节点有限元模拟及参数分析[J].建筑结构学报,2011(3)：57-59.

[3]郭彦林,王小安,江磊鑫.装配式防屈曲支撑构件及框架设计理论[J].结构工程师,2010(6)：101-102.

Onvibrationattenuationperformanceofself-centeringbuckling-restrainedbrace

ZhangGuofeng

(Saiding Engineering Co., Ltd, Taiyuan 030032, China)

Thepaperintroducesthecomponentprinciplefortheself-centeringbuckling-restrainedbrace,adoptstheANSYSfiniteelementsoftware,establishesthehystereticmodeloftheself-centeringbuckling-restrainedbrace,undertakesthenumericanalysisofitsvibrationattenuationperformance,andpointsoutsomevaluableconclusion.

buckling-restrainedbrace,steelframework,resetsystem,seismicresponse

1009-6825(2016)23-0038-03

2016-06-03

张国锋(1975- )，男，高级工程师

TU352

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