一种自复位防屈曲支撑

申奥南 王晓磊 史三元

摘要： 在结构中加钢支撑是钢结构抗震的一种主要形式。普通支撑在受压状态下会产生屈曲现象，为了提高支撑的承载力和滞回性能，一般采用在支撑外部设置套筒的防屈曲支撑。但防屈曲支撑在震后留有过大残余变形，导致结构难以恢复。因此，本文提出一种新型的具有自复位功能的支撑构件来优化传统防屈曲支撑的抗震性能。并对该支撑进行了数值模拟，通过对结构模型进行循环加载分析来对比分析不同构件的复位能力。研究表明，该自复位防屈曲支撑相较于普通防屈曲支撑而言，能够更好的减少结构体系的残余变形。

Abstract： Steel support in the structure is one of the main forms of steel structure aseismic. The buckling of normal braces under compression is very important. In order to improve the bearing capacity and hysteretic performance of braces， buckling restrained brace is usually used to support sleeves outside the support. However， the anti buckling support has a large residual deformation after the earthquake， which causes the structure to be difficult to recover. Therefore， a new type of support component with self reset function is proposed in this paper to optimize the seismic performance of the traditional anti buckling support. The numerical simulation of the support is carried out， and the reposition ability of different components is compared and analyzed by cyclic loading analysis of the structural model. The study shows that the self reset flexion support can reduce the residual deformation of the structural system better than the ordinary buckling support.

关键词： 防屈曲支撑；残余变形；自复位；残余变形

Key words： anti buckling support；residual deformation；self reset；residual deformation

中图分类号：TU317 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0116-03

0 引言

近年来地震频发，做好结构的抗震设计尤为重要，对于钢结构而言，抗震设计是钢结构设计的关键一环。在结构抗震设计中，在结构中加钢支撑是钢结构抗震的一种主要形式。防屈曲支撑相较普通支撐而言，其最大优势是构件承载力和刚度的分离，这很好地解决了普通支撑无法在不增加结构刚度的情况下提高承载力的问题。此外，防屈曲支撑可以提供很大的抗侧刚度，由于外包约束构件的刚度贡献，使其克服了传统钢支撑容易发生受压整体屈曲的缺点，内核构件的横向变形被外包约束构件紧密地约束，也不易发生高模态屈曲，拉压作用下都可以达到屈服，拉压承载力近似相等，在经历多次循环荷载后，也不会发生强度和刚度的退化，滞回曲线稳定饱满，具有良好的疲劳性能和耗能能力。

但由于防屈曲支撑依靠耗能内芯的弹塑性来耗能，导致在外部荷载施加完毕后会产生较大的残余变形，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。另外，当结构层间残余变形角超过0.5%时，结构的修复成本已大于重建。为了减少或者消除防屈曲支撑体系的残余变形，根据基于影响的抗震设计概念，国内外学者开展了对具有恢复性能系统的研究。

2010年，哈尔滨工业大学刘璐等以普通钢绞线制作复位系统，发明了一种预应力式SCBRB。2013年，曾鹏等采用双束串联的预应力钢绞线充当支撑复位系统，提出了全钢预应力SCBRB的设计，该支撑能增大单束预应力SCBRB的最大变形能力。2011年，美国伊利诺伊大学等采用形状记忆合金制作复位系统，开发了一种形状记忆合金SCBRB，对其进行拟静力加载实验。2014年，美国学者等对形状记忆合金8IQRQ进行实验，对该支撑的模型参数进行研究，给出形状记忆合金SCBRB的合理设计建议。

具有自复位性能的斜撑，可以更好地避免结构在震后残留的大量变形，使结构更大程度上的得以恢复，实现建筑本身价值。本文通过提出一种新型的自复位性能的防屈曲支撑形式，并进行数值模拟分析，研究这种结构对于建筑减震的优势及缺陷，并验证其滞回性能和复位效果。

1 自复位防屈曲支撑的构造

自复位防屈曲支撑在构造形式上分为两部分：防屈曲支撑（BRB）复位系统（SC）。具体形式如图1所示。

由图1所示，该自复位防屈曲支撑以十字内芯作为主要耗能材料，外部采用方钢管作为防屈曲套筒，并在十字内芯端部加设高强弹簧提供复位力。十字内芯如图2所示，选用变截面形式，分为屈服段、加强段、连接段。在十字内芯右连接段与加强段交接处焊有固定板，该固定板与外套筒焊接，保证外套筒对内芯的屈曲约束。外套筒为矩形钢管，内部四角焊有四个角钢，中间留有十字空隙供十字内芯通过。十字内芯左连接段中部同样焊有固定板，为弹簧固定板，上面设置高强弹簧与外套筒的开孔固定板连接，且开孔固定板同样留有十字空隙供十字内芯弹塑性变形。

2 自复位防屈曲支撑的工作机理与恢复力模型

2.1 支撑的工作机理

由图1所示的弹簧式SCBRB的构造可知，在外力作用下内芯将产生拉压变形。开孔固定板和外方钢管也因此产生相对位移，迫使弹簧固定板和开孔固定板之间的弹簧产生变形。弹簧变形的反作用力将会减小内芯板的变形，从而实现支撑的复位能力。

2.2 支撑的恢复力模型

自复位防屈曲支撑的耗能系统由耗能内芯构成，复位系统由复位弹簧和外套管构成。其中，耗能系统的恢复力模型可以简化为一个理想的双折线模型。如图3所示，其中FC为内芯轴力，μ为支撑轴向位移，Fyc，μyc分别为内芯板的屈曲力和屈服位移，Fcm为内芯的最大轴力，μcm为支撑内芯板最大轴向位移，Kc1、Kc2分别为内芯第一刚度和第二刚度。

复位系统由四根并联弹簧和外套筒串联共同组成，假设单根弹簧和外套筒的轴向刚度分别为Ks和Kout，则复位系统的刚度可以根据其串并联关系得到：

复位系统的恢复力模型如图4所示，图4中，Fs为复位系统轴力，μ为支撑的轴向位移，Fsm为复位系统的最大轴力，μm为支撑最大轴向位移。

如图5所示，该新型防屈曲支撑由复位系统和耗能系统并联共同作用，因此自复位防屈曲支撑的恢复力模型可以根据复位系统和耗能系统的叠加组合得出。在图5中，F，μ分别为支撑所受的轴力及产生的位移，Fy为自复位支撑屈服轴力，μy为支撑的屈服位移。

由图5可见，自复位支撑构件的轴向恢复力模型依然是双折线模型。

与普通BRB相比，自复位系统提高了第一刚度、第二刚度及屈服力。由图5可知，当支撑外力为零时，支撑的位移即为残余变形μr。与普通BRB相比，当发生相同的最大位移时，自复位BRB的残余变形μcr减小到了μ。尽管不能完全实现支撑变形复位，自复位BRB仍能够很大程度上减小支撑的残余变形。

3 支撑框架的数值模拟

3.1 相关参数

选用六层五榀两跨的框架结构模型作为计算模型，自复位防屈曲支撑自底层至顶层连续布置在第二、第四品框架中，支撑布置如图6所示。其中框架层高3.9m，跨距7.5m。本结构处于Ⅲ类场地，第二地震分组，抗震设防烈度为8度，罕遇地震下结构阻尼比取0.05。

在原框架中采用单斜形布置支撑，形成支撑框架结构，如图6所示。分别考虑三种类型支撑方案：无支撑，防屈曲支撑，弹簧式自复位防屈曲支撑。在sap2000中按图6所示方式分别建立三种支撑框架模型。弹簧式自复位防屈曲支撑的恢复力曲线是由复位系统线弹性模型和内芯弹塑性模型叠加而成的双折线模型，可用Wen塑性单元模拟弹簧式自复位防屈曲支撑的双折线模型。具体的SCBRB参数如表1所示。

楼面均布活荷载2kN/m2，重力加速度9.81m/s2，地震波记录采用1976年宁河天津波地震记录（南北向），积分步长0.01s，持续时间19.19s。

3.2 结果對比

三种结构各层最大位移的对比，如图7所示。

三种结构各层最大层间位移角的对比，如图8所示。

三种结构各层最大残余变形的对比，如图9所示。

4 结论

自复位防屈曲支撑钢框架的顶点最大位移、各层最大位移、层间位移角、残余变形等地震响应方面均明显小于防屈曲支撑钢框架和钢框架。尤其在残余变形方面，自复位防屈曲支撑具有显著的优势，基本上消除了结构震后的残余变形，具有良好的复位效果。

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