郝曉燕，李宏男，牧野俊雄

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116023； 2.日本住金關(guān)西工業(yè)株式會(huì)社，日本 東京)

支撐為建筑結(jié)構(gòu)中常見抗側(cè)力構(gòu)件，防屈曲支撐則為特殊支撐形式，隸屬消能減震技術(shù)領(lǐng)域，由鋼內(nèi)芯、外包約束構(gòu)件及兩者間無粘結(jié)材料或間隙三部分組成。支撐軸力由鋼內(nèi)芯承擔(dān)；外包約束構(gòu)件不提供軸力，僅對(duì)內(nèi)芯側(cè)向變形進(jìn)行約束防止支撐受壓時(shí)發(fā)生屈曲；鋼內(nèi)芯與外包約束構(gòu)件用無粘結(jié)材料或空隙隔離，以確保內(nèi)芯獨(dú)自承擔(dān)軸向力。防屈曲支撐在風(fēng)荷載及小震作用下與普通支撐相同，可作為建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件；在中震、大震作用下能克服普通支撐受壓屈曲缺點(diǎn)，拉壓恢復(fù)力特性基本一致，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度退化，具有更飽滿的滯回曲線，且隨結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及層間位移的增大產(chǎn)生較大阻尼消耗輸入的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)；強(qiáng)震中保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件免遭破壞。可見防屈曲支撐亦為性能優(yōu)越的耗能構(gòu)件。防屈曲支撐以經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性在工程抗震領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可[1-4]，且形式多種多樣，F(xiàn)ujimoto等[5-6]分別研究內(nèi)核單元為一字板、約束單元為矩形鋼管、四鋼管的防屈曲支撐性能；李妍等[7]研究一字形內(nèi)芯外包鋼管的防屈曲鋼支撐阻尼器；周云等[8]提出“開孔式”、“開槽式”防屈曲支撐；高向宇等[9-11]分別提出組合熱軋角鋼防屈曲支撐及型鋼組合裝配式防屈曲支撐。

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)再現(xiàn)地震過程，為目前研究結(jié)構(gòu)抗震性能及地震反應(yīng)、破壞機(jī)理最準(zhǔn)確試驗(yàn)方法、最直接方法。諸多對(duì)裝有防屈曲支撐的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)[12-14]，僅研究防屈曲支撐的減震效果，而與普通支撐減震效果進(jìn)行對(duì)比研究較少，不能體現(xiàn)防屈曲支撐的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[15-16]提出腹板式鋼制防屈曲支撐(簡(jiǎn)稱SUB)，并進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬。為檢驗(yàn)其動(dòng)力荷載下力學(xué)性能，本文對(duì)裝有防屈曲支撐及普通支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，比較兩種支撐的減震效果，驗(yàn)證腹板式鋼制防屈曲支撐的耗能能力。

1 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

1.1 框架模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-抗震研究室模擬地震臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡p跨3層鋼框架見圖1，底面尺寸1.5 m×1.8 m，層高0.9 m?？蚣苤翱蚣芰悍謩e由40 mm×40 mm×4 mm、60 mm×40 mm×4 mm矩形鋼管焊接而成，斜撐用30 mm×30 mm×3 mm等邊角鋼，結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)嵌固，梁、柱間剛性連接。結(jié)構(gòu)首層層間剛度較小，層間位移變形較大，故在結(jié)構(gòu)首層安裝2個(gè)SUB，2、3層加普通支撐40 mm×40 mm×3 mm角鋼。為增大框架對(duì)地震波反應(yīng)，在每層樓板放置1900 kg質(zhì)量塊，2、3層放置1830 kg質(zhì)量塊。安裝SUB框架結(jié)構(gòu)模型(模型A)及安裝普通支撐的框架結(jié)構(gòu)(模型B)局部放大圖見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)平面及立面簡(jiǎn)圖

圖2 SUB鋼框架結(jié)構(gòu)及普通支撐鋼框架

1.2 SUB模型及節(jié)點(diǎn)連接

SUB試件構(gòu)造見圖3，尺寸及材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。SUB屈服荷載理論值為Py=σyAG=19 200 N，其中σy為芯材屈服強(qiáng)度(128 MPa)，AG為屈服段截面面積，彈性剛度據(jù)內(nèi)核構(gòu)件各部分截面面積及長度用串聯(lián)剛度法計(jì)算，即

圖3 SUB示意圖及尺寸

表1 SUB尺寸及材料參數(shù)

圖4 SUB及普通支撐與節(jié)點(diǎn)板連接方式

將圖3中數(shù)據(jù)代入上式，得SUB屈服位移Dy=0.826 mm，彈性剛度K=32 922 N/mm，與試驗(yàn)結(jié)果接近[16]。

將第1層防屈曲支撐換成普通支撐，并與SUB在相同軸力下屈服，得普通支撐尺寸為L36 mm×36 mm×3 mm。SUB與普通支撐均通過螺栓與節(jié)點(diǎn)板連接，見圖4。

1.3 加載及試驗(yàn)方案

先進(jìn)行SUB框架結(jié)構(gòu)模擬振動(dòng)臺(tái)安裝試驗(yàn),因該結(jié)構(gòu)在大震作用下SUB屈服耗能，框架層間變形較小，可保證鋼框架在試驗(yàn)中保持彈性變形。再將第一層SUB卸除換成普通支撐，進(jìn)行普通支撐框架結(jié)構(gòu)模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。由于鋼框架處于彈性變形，普通支撐框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)鋼框架仍可重復(fù)利用。地震動(dòng)沿與SUB平面平行方向輸入。用白噪聲激振以識(shí)別結(jié)構(gòu)自振模態(tài)，白噪聲波因頻譜(0～100 Hz)較寬，可激起結(jié)構(gòu)各階響應(yīng)，通過對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傳遞函數(shù)變換為頻域信號(hào)，可識(shí)別各工況的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。分別對(duì)SUB框架結(jié)構(gòu)及普通支撐框架結(jié)構(gòu)兩種工況進(jìn)行地震動(dòng)作用下動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)?？紤]不同場(chǎng)地對(duì)減震效果影響，選三條典型地震波即遷安波南北分量、TaftN21E分量及唐山波(15～45 s間部分)，見表2。地震峰值由0.1 g開始，按0.05 g逐級(jí)加載，加載到0.6 g，普通支撐框架加載到0.5 g。通過振動(dòng)臺(tái)面的加速度傳感器記錄臺(tái)面的加速度信號(hào)。在沿高度各層中間橫梁處安裝加速度傳感器，記錄加速度反應(yīng)。

表2 地震波選用

1.4 SUB框架結(jié)構(gòu)與普通支撐框架結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)比SUB框架結(jié)構(gòu)與普通支撐框架結(jié)構(gòu)在相同地震記錄峰值作用下位移反應(yīng)，可鑒定SUB對(duì)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的控制效果。三種地震記錄(峰值加速度0.1 g，0.2 g，0.4 g)激震下模型A、B最大位移反應(yīng)及不同地震記錄、不同峰值加速度下SUB減震效果見表3。兩種框架在遷安波地震記錄下首、頂層位移反應(yīng)時(shí)程曲線見圖5。兩種框架結(jié)構(gòu)在Taft波地震作用下首、頂層位移反應(yīng)時(shí)程曲線見圖6。由表3、圖5、圖6看出，相同峰值加速度作用下與普通支撐框架層間位移相比，SUB框架層間位移有不同程度減??；在小震作用下SUB及普通支撐框架結(jié)構(gòu)層間位移基本相同，此因主體結(jié)構(gòu)保持彈性變形，SUB未達(dá)屈服荷載，未進(jìn)入耗能階段，此時(shí)與普通支撐作用相同，僅為主體結(jié)構(gòu)提供剛度；隨地震峰值增加，普通支撐框架結(jié)構(gòu)層間位移遠(yuǎn)大于SUB框架結(jié)構(gòu)，此因SUB在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形前進(jìn)入工作耗能，此時(shí)表現(xiàn)較強(qiáng)非線性，而普通支撐通常由失穩(wěn)控制在中震、大震作用下會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)或局部屈曲，導(dǎo)致樓層剛度及承載力突降，顯著降低結(jié)構(gòu)的延性及耗能能力,影響結(jié)構(gòu)抗震安全性。因此，SUB較普通支撐對(duì)結(jié)構(gòu)首層層間位移及頂層位移控制效果均較好；但因SUB安裝于第一層，數(shù)量較少，故對(duì)底層控制效果更明顯。

表3 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)及減震率

圖5 普通支撐框架結(jié)構(gòu)與SUB框架結(jié)構(gòu)在遷安波作用下位移時(shí)程曲線

圖6 普通支撐框架結(jié)構(gòu)與SUB框架結(jié)構(gòu)在Taft波作用下位移時(shí)程曲線

2 數(shù)值分析

2.1 有限元模型建立

用有限元分析軟件對(duì)防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)體系分析時(shí)，防屈曲支撐用非線性連接單元實(shí)現(xiàn)。本文選塑性連接Bouc-Wen模型模擬。Bouc-Wen恢復(fù)力模型非線性力-變形關(guān)系表達(dá)式[17]為

p(t)=αbKEd(t)+(1-αb)KEz(t)

βbν(t)|z(t)|n+Aν(t)

式中：P為防屈曲支撐軸向力；KE為控制初始剛度參數(shù)；d為SUB軸向變形；γb，βb，A，n為滯回常數(shù)。γ，β，A決定滯回曲線大小及形狀；n決定曲線光滑程度，無窮大時(shí)為雙線性模型。

模型建立過程中將底層柱剛性固結(jié)于地面，結(jié)構(gòu)整體阻尼比取0.02，SUB軸向屈服力19.2 kN、彈性剛度33.292 N/mm，第二剛度系數(shù)為0.05，屈服指數(shù)3，沿X方向輸入地震波。

2.2 試驗(yàn)與數(shù)值模擬模擬結(jié)果對(duì)比

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)用白噪聲掃描整個(gè)框架，獲得結(jié)構(gòu)自振頻率為9.0 Hz。數(shù)值模擬時(shí)地震波用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)臺(tái)面采集的地震波峰值。對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得結(jié)構(gòu)自振周期為0.107 94 s，即結(jié)構(gòu)自振頻率為9.2 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。SUB框架結(jié)構(gòu)在遷安地震波(峰值加速度為0.2 g)激勵(lì)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線見圖7。普通支撐框架結(jié)構(gòu)在遷安地震波(峰值加速度0.2 g)激勵(lì)下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線見圖8。激震下普通支撐及防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)在遷安波作用下試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果最大位移反應(yīng)及兩者間誤差見表4。由圖7、圖8及表4看出，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果逼近較好，為此類SUB框架設(shè)計(jì)與工程分析提供可行的計(jì)算方法。

圖7 SUB框架結(jié)構(gòu)在遷安波作用下位移

圖8 普通支撐框架結(jié)構(gòu)在遷安波作用下位移

表4 結(jié)構(gòu)在遷安波作用下試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

本文對(duì)裝有腹板式鋼制防屈曲支撐及普通支撐框架結(jié)構(gòu)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及相關(guān)理論分析。比較兩種支撐減震效果，用有限元方法對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算，結(jié)論如下：

(1) 模擬地震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及理論分析均表明，本文所提SUB在小震作用下與普通支撐相似，僅為框架結(jié)構(gòu)提供初始剛度，而在中震或大震作用下SUB在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形前進(jìn)入工作耗能，可極大減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

(2) 數(shù)值模擬為分析、設(shè)計(jì)消能減震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，對(duì)加SUB與普通支撐框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果表明，SUB兼具中心支撐及位移性阻尼器功能，為一類理想的消能裝置。

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