采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析_贾明明

第37卷第6期2007年11月　东南大学学报(自然科学版)J O U R N A L O F S O U T H E A S T U N I V E R S I T Y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n )V o l .37N o .6N o v .2007采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析贾明明 张素梅(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090)摘要:为了对比分析抑制屈曲支撑与普通钢支撑构件在反复荷载作用下的滞回性能,比较了2种支撑钢框架体系在单调、往复水平荷载和地震荷载作用下的抗侧力和抗震性能.基于A N S Y S对结构构件和体系进行了分析,并与试验结果进行了对比.分析表明,抑制屈曲支撑可在拉压循环荷载作用下均达到屈服,拉压承载力基本一致,恢复力模型可简化为对称的双线型,其滞回曲线稳定饱满,滞回耗能能力大大优于普通钢支撑.同时数值分析结果与试验结果也得到了很好的吻合.抑制屈曲支撑相对于普通钢支撑可进一步提高钢框架结构的后期刚度、极限承载力和耗散能力,更大地降低了结构的地震响应,提高了结构的抗震性能.因此抑制屈曲支撑较普通钢支撑更适于在有更高抗侧力和抗震要求的钢结构中应用,其更为简单的恢复力模型也使结构体系的分析和设计十分简便.关键词:抑制屈曲支撑;普通钢支撑;耗能能力;滞回性能;钢框架中图分类号:T U 352.1 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2007)06-1041-07P e r f o r m a n c e o f s t e e l f r a m e i n s t a l l e d w i t h b u c k l i n g -r e s t r a i n e d b r a c e sJ i a Mi n g m i n g Z h a n g S u m e i(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150090,C h i n a )A b s t r a c t :T h e h y s t e r e t i c b e h a v i o r o f b u c k l i n g -r e s t r a i n e d b r a c e (B R B )a n d c o n v e n t i o n a l b r a c e u n d e r c y c l i c l o a d ,t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s t e e l f r a m e w i t h B R B s o r c o n v e n t i o n a l s t e e l b r a c e u n d e r m o n o -t o n i c ,c y c l i c h o r i z o n t a l l o a da n ds e i s m i c l o a dw e r e a n a l y z e db a s e do nA N S Y S .T h e r e s u l t s w e r e c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t B R Bc a nu n d e r g of u l l y -r e v e r s e da x i a l y i e l d c y c l e s w i t h o u t l o s s o f s t i f f n e s s a n d s t r e n g t h .B R Bi s c o n f i r m e d t o h a v e n e a r l y t h e s a m e y i e l d i n g s t r e s s a n d u l t i m a t e s t r e n g t h u n d e r t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n ,w h o s e s u p e r i o r s e i s m i c e n e r g y d i s s i p a t i o n a b i l i t y i s b e t t e r t h a n t h e c o n v e n t i o n a l s t e e l b r a c e .T h e s y m m e t r i c a l b i l i n e a r r e s i l i e n c e m o d e l o f B R B i s c o n f i r m e d .T h e r e s u l t s o f n u m e r i c a l a n a l y s i s b a s e d o n A N S Y S a g r e e w e l l w i t h e x p e r i m e n t s .C o m -p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l s t e e l b r a c e s ,w h e n B R B s a r e a p p l i e d i n t os t e e l f r a m e ,t h e i n t e n s i f i e ds t i f f -n e s s ,s t r e n g t h a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n a b i l i t y o f t h e s t e e l f r a m e s w i l l b e i m p r o v e d .C o m p a r e d w i t h t h e s t e e l f r a m e s t r u c t u r e s w i t h c o n v e n t i o n a l s t e e l b r a c e s ,t h e s e i s m i c r e s p o n s e s (d i s p l a c e m e n t ,a c c e l e r a -t i o n ,f o r c e )o f t h e s t e e l f r a m e s t r u c t u r e s w i t h B R B s a r e g r e a t l y r e d u c e d a n d s e i s m i c p e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d .T h e r e f o r e B R Bw i t h s i m p l e b i l i n e a r r e s i l i e n c e i s a d a p t e d t o a p p l y i n s t r u c t u r e s w i t h m o r e r e q u i r e m e n t t o r e s i s t h o r i z o n t a l a n d s e i s m i c l o a d .I t m a k e s t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f s t r u c t u r e s m o r e c o n v e n i e n t .K e y w o r d s :b u c k l i n g -r e s t r a i n e db r a c e ;c o n v e n t i o n a l s t e e l b r a c e ;e n e r g y d i s s i p a t i o n ;h y s t e r e t i c b e -h a v i o r ;s t e e l f r a m e 收稿日期:2007-05-15.作者简介:贾明明(1978—),男,博士生;张素梅(联系人),女,博士,教授,博士生导师,s m z h a n g @h i t .e d u .c n . 多、高层钢框架-支撑体系的抗震设计要保证支撑构件在小震作用下处于弹性状态,可以提供足够的附加刚度使结构体系满足“小震不坏”的要求;在中震和大震下,支撑构件通过往复滞回变形的方式吸收和消耗输入结构体系的地震能量,保证“中震可修,大震不倒”.普通钢支撑受压时会因为长细比较大或组成板件宽厚比过大而发生整体屈曲或局部屈曲.在地震作用下,支撑的失稳使其耗能能力以及结构体系的抗侧刚度和承载力大大降低,结构的地震响应增大,抗震性能降低.如果将普通钢支撑外包裹约束构件,并保证二者之间不会发生粘结,并只将内核钢支撑与框架相连,仅仅由其承担由水平荷载产生的轴向压力和拉力.由于这种支撑构件可有效地抑制支撑受压屈曲,因此被称为抑制屈曲支撑(B R B)[1-5].国内外对抑制屈曲支撑的研究[1-5]表明:由于外包约束单元的存在,内核单元受到约束而不易发生高模态屈曲.而且由于外包约束单元不直接承受轴向力作用,为抑制屈曲支撑提供很大的抗弯刚度,使其在压力作用下不易发生整体屈曲,因此在地震反复荷载作用下抑制屈曲支撑受拉受压时内核单元材料都可以达到屈服进入弹塑性状态,其拉压刚度和承载力基本达到一致.在地震荷载作用下抑制屈曲支撑较普通钢支撑有更大的抗压刚度,滞回曲线更为饱满,耗能能力更强,可进一步提高结构的抗震性能.然而现有国内外研究[1-7]往往单独针对普通钢支撑或抑制屈曲支撑滞回耗能性能及其对结构体系抗侧力及抗震性能的影响进行研究,本文对普通钢支撑,以及将此普通钢支撑外包钢管混凝土形成的抑制屈曲支撑的滞回耗能性能,及其对钢框架结构体系性能的影响作了对比研究,验证了抑制屈曲支撑是较普通钢支撑更为优良的结构体系抗侧力和抗震构件.1　抑制屈曲支撑与普通钢支撑滞回性能的对比分析 基于A N S Y S对抑制屈曲支撑构件在循环荷载下的滞回性能进行研究,并与试验研究的结果进行对比.如图1所示,试验研究的抑制屈曲支撑试件总长度960m m,核心约束屈服段长500m m.内核单元中心段为一字板(100m m×10m m),采用我国鞍钢生产的Q235B钢,钢材屈服强度和极限强度分别为285和420M P a,弹性模量186G P a,伸长率21.18%.外包约束单元为圆钢管内填混凝土,外包钢管也采用Q235钢,壁厚5m m,外径160 m m,混凝土抗压强度标准值25.7M P a.内核单元与外包约束单元之间通过设置无粘结材料进行无粘结处理.内核单元约束非屈服段长60m m,是约束屈服段与外伸无约束非屈服段(长170m m)间的过渡段,非屈服段通过放大截面和设置加劲肋进行加强,在试验过程中不发生屈服,其板件的最大宽厚比为10,试件外貌及试验装置如图2所示.试验的加载制度为位移控制的拉压循环加载,位移幅值分别为1～10,12,15倍内核单元约束屈服段受拉屈服变形值,各循环3周.图1　抑制屈曲支撑试件尺寸详图(单位:m m)图2　试验装置及试件外貌图进行有限元数值分析时抑制屈曲支撑内核单元采用s h e l l181壳单元模拟,并采用c o m b i n14弹簧单元模拟外包钢管混凝土对内核单元的约束作用,有限元模型如图3所示.端部约束条件和加载制度与试验一致,在进行考虑几何非线性和材料非线性的数值分析之前,对试件施加1/1000的初始缺陷.数值分析的结果与试验现象一致,试件没有图3　支撑有限元模型及普通钢支撑受压屈曲变形形状1042东南大学学报(自然科学版) 第37卷发生强度和稳定破坏.如图4所示,数值分析与试验研究得到的滞回曲线吻合良好,抑制屈曲支撑荷载位移滞回曲线显示在拉压荷载作用下试件均在内核单元钢材的屈服点发生屈服,同时产生了较大的应变强化,恢复力模型为双线型,基本上是钢材材性的体现,其最大延性和累计延性分别达到13.5和735.抑制屈曲支撑滞回曲线稳定饱满,只是试验得到的滞回曲线在较大的变形幅值时由于支座滑移的影响略有收缩,所包围的总面积较数值分析得到的滞回曲线包围的总面积小约3%.对比分析也表明利用我国的钢材和无粘结材料设计制作的抑制屈曲支撑具有良好的滞回耗能性能,也说明本文建立的有限元模型和采用的有限元数值分析方法是正确的.如图4所示,试验得到的滞回曲线在支撑处于较大受压变形时较处于较大受拉变形时的荷载幅值高约5%,同时支撑抗压刚度也较抗拉刚度略有提高,而有限元分析这种差别很小.原因在于试验时内核单元屈服段受压时长度变短,截面变大,承载能力有所增加[3];受压时内核单元屈服段截面变大,与约束单元发生接触,二者之间有挤压作用,从而产生了相互间的摩擦力;同时由于内核单元被外包约束单元所约束,产生了套箍效应,侧向应力的作用使内核单元产生三向应力.对于本试验最后一条原因是主要原因所在,但由于无粘结材料设置得当这种差值已控制在较小的范围之内.取抑制屈曲支撑内核单元作为普通钢支撑构件,边界条件、加载制度和基于A N S Y S的分析方法与抑制屈曲支撑相同,对于普通钢支撑模拟侧向约束作用的弹簧刚度取为0.为了对比得更加明确清晰只做变形幅值为9.44m m的常幅滞回性能分析,2种支撑的滞回性能如图5所示.为了简便地模拟结构体系中的普通钢支撑,本文验证了采用二维弹塑性梁单元B E A M23对普通钢支撑进行模拟时的分析结果与采用壳单元时基本一致.B E A M23单元包含大变形的特性,可以模拟支撑的大变形状态,并给出此时支撑的稳定承载力,因此在下文的结构体系分析中普通钢支撑均采用B E A M23单元模拟.如图5所示,在较大的水平荷载作用下,普通钢支撑将进入材料非线性状态,同时构件受压屈曲后P-δ效应十分显著,也将进入几何非线性状态,因此反复荷载作用下的力学形态非常复杂.在压力作用下普通钢支撑屈曲后由于P-δ效应的存在会变成压弯杆,刚度迅速退化,承载力急剧下降,在构图4　抑制屈曲支撑滞回曲线试验与数值模拟结果对比图5　普通钢支撑与抑制屈曲支撑滞回曲线的对比件中部会形成塑性铰.再反向受拉时,残余的塑性弯曲变形使构件首先要被拉直,此时受拉刚度很小,刚度发生收缩,支撑继续受拉,直至形成反向塑性铰后,抗拉刚度才逐渐恢复,最终全截面受拉屈服进入弹塑性状态.支撑的长细比是决定其受力形态的主要因素,随着长细比的增加,构件受压时屈曲变形的比例增大,滞回曲线劣化现象越来越严重.支撑的受拉承载力在多循环往复轴向力作用下也会发生退化[8-9].针对本文长细比较大的支撑,首次受压的屈曲承载力较低,随着变形量不断增加,受压承载力不断下降,在经历接下来的荷载循环时,构件受压时的屈曲荷载逐渐降低.对于大长细比的支撑构件,滞回环所包围的面积非常狭窄,耗能能力很差.如图5所示,抑制屈曲支撑最大受压承载力约为普通钢支撑8倍,滞回曲线非常饱满,最大滞回环所包围的面积即其耗能能力大约是普通钢支撑的3.54倍.M a i s o n模型可较为理想地描述普通钢支撑的恢复力模型(见图6).M a i s o n模型用分段线性描述,屈曲荷载的衰减、塑性伸长、弹性受拉超屈曲和受压弹性超屈曲区、包辛格效应等均予以考虑,各种长细比值支撑的弹塑性性能都得到了反映[9].如图4和图5所示,由抑制屈曲支撑滞回曲线的形1043第6期贾明明,等:采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析态特征可确定其恢复力模型可简化为对称双线型,在消除导致受压承载力提高因素的条件下,抑制屈曲支撑的滞回模型就是钢材滞回性能的反应.图6　Ma i s o n 模型中钢支撑滞回曲线各区的物理意义2　抑制屈曲支撑与普通钢支撑钢框架结构抗侧力性能的对比分析 对钢框架支撑结构的研究同样以A N S Y S 为平台,框架和普通钢支撑均采用B E A M 23单元并进行多段划分;抑制屈曲支撑则采用二维弹塑性杆单元L I N K 1,为消除分析时抑制屈曲支撑受压屈曲的现象,仅仅将其划分为一个单元[10].分析的对象为单层单跨钢框架支撑结构体系,跨度7.5m ,层高4.8m ,梁柱采用Q 345工字钢,柱截面为Y B —H 400×250×8×16(单位:m m ),梁截面为G B —H N 600×200×10×15(单位:m m ),支撑两端铰接,采用与上述滞回试验相同的钢材,截面积取1500m m 2.图7给出了单层单跨的纯框架、普通钢支撑框架和抑制屈曲支撑框架在单向加载下的荷载位移曲线,其中支撑分别采用单斜布置和人字形布置.可见在单向加载时,由于结构体系的侧向刚度主要来源于支撑的轴向刚度,支撑框架的初始刚度会大大高于纯框架结构.在普通钢支撑受压屈曲前,普通钢支撑框架和抑制屈曲支撑框架的刚度基本一致.随着荷载的增加,普通钢支撑框架中受压的支撑发生屈曲,使结构的刚度有所降低,普通钢支撑框架极限承载力高于纯框架,但也较抑制屈曲支撑框架要低.抑制屈曲支撑受压时不会发生屈曲,与受拉时一样直至最终发生屈服,其结构体系的承载力也最高.同时对支撑人字形布置时的2种支撑框架体系滞回性能进行了对比分析,钢框架的水平位移幅值为36m m .对比抑制屈曲支撑框架体系(体系1)与普通钢支撑框架体系(体系2)的滞回性能曲线图7　单向荷载作用下框架支撑结构体系荷载位移曲线(见图8),可以发现体系2滞回曲线有明显的捏缩现象.框支体系在水平荷载的作用下,体系1和2最初的刚度是基本一致的,当首先受压的一肢支撑由于失稳退出工作时,体系2的刚度有所降低,导致体系2屈服荷载和极限荷载都低于体系1.反向弹性卸载到0再反向加载时,由于首先受压的一肢支撑屈曲后产生很大的弯曲变形,存在残余的塑性弯曲变形,受拉刚度很小,在没有重新拉直以前不能完全工作,而首先受拉的一肢支撑开始反向受图8　2种支撑钢框架体系滞回性能的对比分析压,在其受压屈曲后,体系2的刚度开始主要由钢框架提供,刚度很低.首先受压的一肢支撑反向受拉拉直后再开始为结构体系提供刚度,体系刚度有所增大.对于体系2的荷载位移滞回曲线,由于支撑在轴向往复荷载作用下,其抗拉承载力会有所下降,支撑在受压屈曲后,再受压屈曲时的荷载也有所降低,同时支撑的弯曲挠度也更加显著,拉压刚1044东南大学学报(自然科学版) 第37卷度也发生退化,这些因素同时也反映在体系2的滞回性能上,如图8第2,3次荷载循环时,体系2的正向极限承载力有所降低,刚度发生退化,滞回曲线产生了更大的捏缩.抑制屈曲支撑在拉压作用下都可以达到屈服,拉压作用下的承载力基本一致,滞回曲线稳定饱满,在经历很多次循环荷载后,也没有发生强度和刚度的退化.在水平荷载下具有良好的滞回耗能性能.这种性能同样也反映在抑制屈曲支撑框架体系上.对比体系1,体系2的滞回曲线可以发现,体系1的最大承载力是体系2的1.43倍,最大单周滞回曲线所包围的最大面积大约是体系2的2.31倍,即体系1耗能能力较体系2大大提高.3　抑制屈曲支撑与普通钢支撑钢框架抗震性能的对比分析 本文算例采用文献[7]中的3层1跨平面钢框架(见图9),主体框架梁柱刚接.各构件取不同的强度比率(构件的设计荷载与设计强度的比值)来实现在地震作用下支撑首先屈服并耗能.框架的水平跨度为4m,层高分别为4,3.5,3.5m.框架梁柱截面型号如图9所示,钢材型号为A36,本构模型取为双折线强化模型,屈服后刚度比率为2.5%.支撑内核截面采用一字型截面,端部截面加大并设有加劲肋以便于与框架连接,并且在结构受力时其始终保持弹性.1,2,3层支撑中心段截面积分别为1650,1340,640m m2,钢材型号均为L Y P100,屈服强度为86M P a,屈服后刚度比率为3%,框架1,2,3层的等效质量分别为6750,7925, 7925k g.3.1　A N S Y S数值分析结果与文献[7]试验结果的对比分析 基于A N S Y S对结构进行弹塑性动力时程分析,其中框架梁柱均采用B E A M23单元,抑制屈曲支撑采用L I N K1单元,首先进行模态分析.得到结构前2个周期分别为0.409和0.132s,然后对抑制屈曲支撑钢框架结构在不同峰值加速度(0.2g, 0.4g,0.6g,0.8g,1.0g,1.2g,重力加速度g=10 m/s2)的E l-C e n t r o地震动作用下的结构反应进行了分析,讨论了其中抑制屈曲支撑的性能,并将其层间位移地震响应(见图10)与文献[7]中的试验结果进行了比较.由于有限元分析中对结构构件本构模型予以简化,以及存在真实试验中采用的实验图9　抑制屈曲支撑钢框架示意图(单位:m m)装置、实验方法、地震动的波谱特性、采集的试验数据的数量等很多未知因素,导致二者存在30%以下的差值.对于这种新型支撑构件框架体系进行震动台动力试验和数值分析,必然会存在很多未知的不确定因素影响试验与分析的精度,因此可近似认为30%的差异在误差允许范围之内.在峰值加速度较小时,试验结果小于A N S Y S分析结果,而在峰值加速度较大时,试验结果大于A N S Y S分析结果,应该是由于试验装置本身存在由摩擦力等因素产生的抗力,随着地震力的不断增大,对结构的地震响应的影响越来越小,结构的相对地震响应越来越大.因此可以认为本文数值模拟采用的结构有限元模型正确,数值模拟方法得当,对数值分析结果进行了正确的统计和分析.图10　结构底层最大层间位移对比3.2　抑制屈曲支撑与普通钢支撑钢框架抗震性能的对比分析 作为对比分析的普通钢支撑钢框架各项指标与抑制屈曲支撑钢框架均相同,仅仅将抑制屈曲支撑的内核单元单独作为框架的支撑构件.普通钢支撑在A N S Y S模拟中采用采用B E A M23单元,同样1045第6期贾明明,等:采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析计算了普通钢支撑钢框架在不同峰值加速度的E l-C e n t r o地震动作用下的结构响应,并与抑制屈曲支撑钢框架的分析结果进行了对比.图11、图12及表1列出了2种结构顶部最大加速度、底层和顶部最大位移、以及相对降低的比率.普通钢支撑钢框架和抑制屈曲支撑钢框架结构的最大位移和加速度分别为D c m a x,D b m a x和A c m a x, A b m a x,位移和加速度相对降低的比率为φD=D c m a x-D b m a xD c m a x ×100%,φA=A c m a x-A b m a xA c m a x×100%.图11　2种框撑体系顶部最大加速度对比图12　2种框撑体系最大位移对比表1　抑制屈曲支撑和普通支撑钢框架各项性能的比较地震动及加速度峰值/g结构顶部位移/m m结构顶部加速度/(m·s-2)结构底层层间位移/m m抑制屈曲支撑钢框架普通钢支撑钢框架降低比率/%抑制屈曲支撑钢框架普通钢支撑钢框架降低比率/%抑制屈曲支撑钢框架普通钢支撑钢框架降低比率/%E C0.425.254.9543.75.63415.723.333 E C0.654.492.10414.38.54929.534.214 E C0.879.6128.3386.011.04537.249.425 E C1.0122.8237.7487.313.54653.7109.551 E C1.2143.6310.8548.815.54367.0173.561 可以看出,在2种结构体系中,在普通支撑屈曲前,地震力在框架和2种支撑之间的分配基本一致.当普通支撑发生屈曲,其抗侧刚度和水平承载能力基本丧失,地震力基本上由框架承担,直到受到相反方向的地震力时,支撑被拉直,恢复轴向刚度,可以承担部分地震力,框架承担的地震力有所降低.这种情况在往复地震荷载下不断反复.而抑制屈曲支撑由于不会发生屈曲,受压受拉时的刚度和承载力基本一致,其屈服前始终承担约80%的地震力.因此采用抑制屈曲支撑可降低结构体系中主体框架的设计要求.4　结语基于A N S Y S对抑制屈曲支撑构件进行了理论研究,分析结果与试验结果吻合很好,并将其与普通钢支撑的滞回性能进行了对比,结果表明,抑制屈曲支撑克服了普通钢支撑受压屈曲的缺点,抗压承载力大大提高,其滞回曲线饱满,恢复力模型更加简单,耗能能力显著提高.将其应用于钢框架结构,在单调水平荷载作用下,抑制屈曲支撑较普通钢支撑大大提高了钢框架结构的后期刚度和极限承载力,反复水平荷载作用下结构体系的刚度,承载能力和耗能能力都有显著提高.在地震荷载作用下2种支撑钢框架结构的抗震性能也大大不同,抑制屈曲支撑较普通钢支撑更加显著地减轻了结构的地震响应.相对于安装普通钢支撑的钢框架,抑制屈曲支撑使结构顶部位移、顶部加速度、最大层间位移响应降低了14%～61%,更好地提高了结构的抗震性能.因此,设计有较高抗侧力和抗震要求的钢框架结构,采用抑制屈曲支撑较普通钢支撑有很大的优势,可以减少支撑构件的使用数量,降低对主体结构构件的要求,缩短结构的建造工期和节省工程造价.同时由于抑制屈曲支撑有更加简单的对称双线性恢复力模型,适合在结构体系中应用,使结构体系的分析设计更加简便,可以方便地通过调整内核单元的截面面积和钢材种类设计出1046东南大学学报(自然科学版) 第37卷满足结构体系对其承载力、刚度、耗能能力要求的抑制屈曲支撑构件.参考文献(R e f e r e n c e s)[1]X i e Q.S t a t eo f t h ea r t 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