1、加防屈曲耗能支撑的高层钢框架结构动力非线性分析【文章摘要】 防屈曲耗能支撑已经渐渐普及成为工程常用的构件，研究进度相对已经很成熟，不过对于其在整体结构中的作用研究，特别是在高层钢框架结构中的抗震性能研究还不是很多，本文采用 SAP2000 模拟工程实例，对一个 12 层的钢框架结构分别加上普通支撑和防屈曲耗能支撑进行动力非线性时程分析。分析结果表明：在 8 度多遇地震下，防屈曲耗能支撑和普通支撑表现出相近的抗震性能；在 8 度罕遇地震下，防屈曲耗能支撑对结构的抗侧刚度提高了 34.5%，比普通支撑框架结构效果提高了10.6%，在大震中优势极为显著。 【关键词】 防屈曲耗能支撑；高层钢框架；SA
2、P2000；动力非线性；顶层最大位移 中图分类号：TU393.2 文献标识码：A 0 前言 防屈曲耗能支撑是一种耗能减震支撑，也常被成为无粘结支撑，屈曲约束支撑，降伏支撑等，其性能稳定，力学模型下的滞回曲线饱满，减震效果显著。防屈曲支撑主要由核心单元（芯材） 、约束单元以及滑动机制单元组成。芯材是其主受力单元，由特定强度的钢板或者型钢充当；约束单元由钢管填充混凝土构成，提供约束机制，以达到防止屈曲的目的和作用；滑动机制单元由无粘结材料制成，以保证芯材的轴力不传到混凝土和外套管上。 本文基于 BoucWen 的防屈曲耗能支撑模型进行分析。此模型由Bouc 于 1967 年提出之后由 Wen 等改
3、进，并证明此模型能够产生一系列不同的滞回曲线，目前该模型在工程中得到了广泛应用。 1 模型设计与定义工况 1.1 工程概况与构件截面属性 某高层钢框架综合办公楼，主体结构 12 层，二类场地，8 度抗震设防，基本地震加速度为 0.15g，纵向 5 跨，跨长 8m，横向 3 跨，跨长6m，层高 3.5m，总高度 42m。梁柱采用 Q345 钢，柱子截面尺寸采用，梁截面尺寸采用，普通支撑采用 Q235B 钢，截面为，施加于结构纵向（如图 3 所示）楼板采用 C30 混凝土，120mm 厚。在 SAP2000 中梁柱和普通支撑采用框架截面定义，楼板采用面截面定义 为保证可对比性，防屈曲耗能支撑芯材截
4、面与普通支撑截面相同，亦采用截面为，截面面积 12.16cm2。其布置位置也与普通支撑相同（如图 4 所示） ，主受力核心单元芯材的钢材材料为 Q235B 低屈服点软钢，屈服强度为 100MPa，弹性模量为泊松比，有效刚度。在 SAP2000 中，防屈曲耗能支撑采用 wen 单元来模拟，由于计算分析时，常常不考虑防屈曲耗能支撑的质量和重量对结构的影响，因此质量与重量设为 0，非线性连接属性由定义的耗能支撑的实际属性决定，其中有效线刚度和非线性定义刚度为取支撑截面线刚度，屈服后刚度比取 0.05，屈服指数取为 2。 1.2 结构模型设计 利用大型有限元软件 SAP2000 根据工程实际进行模型制
5、作，共制作三个模型，分别为纯框架模型（模型一） 、普通支撑钢框架模型（模型二）和防屈曲耗能支撑钢框架模型（模型三） （结构模型如图 2、3、4） 。 1.3 定义工况 模型活荷载定义为 2。地震波采用 8 度 Elcentro 波，其加速度峰值为 341.7mm/s2，由于纵向跨度较大，刚度较为不利，故支撑只施加于纵向，考虑单向地震作用。按照建筑抗震设计规范 GB50011-2010规定8 度多遇地震下加速度为 70cm/s2，罕遇地震下为 400cm/s2，在软件中的Elcentro 波地震工况的多遇和罕遇比例系数分别为 2.07 和 11.8。由三个结构的模态分析得出结构纵向自振的第一、第
6、二模态周期，来确定施加地震波的非线性时程工况的阻尼。地震工况从非线性活荷载工况终点状态继续。定义地震波工况后，运行结构的分析。 2 抗震性能分析 2.1 模态分析 SAP2000 中模态的分析反应结构的自振特性，反应了结构本身的刚度特性。从表 1 中可以看出中心支撑和防屈曲耗能支撑对结构的刚度都有提升作用，由于耗能支撑的主受力单元芯材截面与中心支撑截面相同，两种支撑的截面拉伸（压缩）刚度因而也相等，故两种支撑对结构刚度的提升效果表现在自振周期上没有太明显差别，防屈曲耗能支撑比普通支撑的周期略小，说明防屈曲耗能支撑对结构刚度的提高作用稍大一些。2.2 地震时程分析 2.2.1 多遇地震时程分析
7、由分析可知在本模型中，由于模型二和模型三的主受力单元截面面积相同，故在弹性阶段防屈曲耗能支撑和普通支撑表现出的相近的位移变化，如表 2 由表中数据可知，在多遇地震下模型一的顶层最大位移为39.3013mm，模型二为 25.0349mm，模型三为 25.7877mm， ；模型二、三在其他各层位移数据上平均比模型一小 30%（数据如图 5） 。模型二、三的层间位移平均比模型一减小 32%，层间位移角也明显小于模型一。由顶层最大位移可以看出，加入了普通支撑和防屈曲耗能支撑分别使钢框架结构的刚度在顶层最大位移上降低了 36.3%和 34.3%，相差仅 2% 由顶层最大加速度的分析得知，三个模型平均顶层
8、最大加速度分别为 1511.55mm/s2、1682.33mm/s2 和 1691.75mm/s2，表明普通支撑钢框架结构和防屈曲耗能支撑钢框架结构的顶层最大加速度分别比纯框架结构大 11.3%和 11.9%，两个结构在顶层最大加速度方面相差也不大。 2.2.2 罕遇地震时程分析 在罕遇地震作用下，防屈曲耗能支撑的耗能优势开始体现出来，较之传统的普通支撑构件，防屈曲耗能支撑在大震作用下能达到屈服而不会发生屈曲，而普通支撑在大震作用下慢慢受到破坏，退出工作。分析数据如表 3 由分析数据可知，三个模型顶层最大位移分别为224.1761mm、170.5382mm 和 146.7363mm。防屈曲耗能
9、支撑顶层最大位移比纯框架支撑减小了 34.5%，普通支撑结构仅比纯框架结构减小了23.9%。分析结果得到的其他各层差异也非常明显（如图 6） 。 三个模型平均顶层最大加速度分别为 7175.73mm/s2、9025.15mm/s2和 9130.44mm/s2，加入了防屈曲耗能支撑的结构远大于纯框架结构，略大于普通支撑框架结构。 3 结论 （1）由模态分析的自振周期可知，防屈曲耗能支撑对结构刚度的提升比普通支撑略大一些，总体上无太大区别。 （2）在多遇地震下，结构处于弹性阶段，防屈曲耗能支撑和普通支撑作用差别不大，防屈曲耗能支撑的抗震性能稍好于普通支撑。 （3）在罕遇地震作用下，结构进入弹塑性阶
10、段，从各层位移分析可知，防屈曲耗能支撑的耗能功能得到了体现，其良好的滞回性能发挥了重要作用，很大幅度的减少了地震的作用效应，结构刚度提高值提高了34.5%，顶层最大位移比纯框架支撑减小了 34.5%，在大震中优势极为显著。 【参考文献】 1余峰.纯钢框架、普通支撑框架和防屈曲耗能支撑框架的抗震性能对比分析J.四川建材，2010.8，154（36）：36-37 2张耀春，丁玉坤.防屈曲支撑、普通和特殊中心支撑钢框架结构抗震分析J.建筑钢结构进展，2009.12，5（11）：8-15 3王永贵，高向宇. 防屈曲支撑的力学性能研究J.河南理工大学学报，2011.3，30（6）：704-708. 【作者简介】 史三元（1959-） ，男，河北乐亭人，教授，从事钢结构方面的教学和研究。 昝歆， （1989-） ，男，天津市河北区人，从事钢结构方向研究生。
