1、防屈曲钢支撑在钢框架中的减震效果分析摘要：本文借助于有限元软件 SAP2000 对设有防屈曲钢支撑和普通钢支撑的多层钢框架进行时程分析，并进行比较。分析结果表明防屈曲钢支撑耗能性能较好，具有很好的延性，滞回曲线稳定饱满。装有防屈曲钢支撑的结构加速度反应大大减少，最大层间变形明显减小。这说明防屈曲钢支撑对框架的抗震是十分有利的。 关键词： 多层钢框架 防屈曲钢支撑 减震时程分析 中图分类号：TV332.13 文献标识码：A 1 引言 钢支撑体系经济效益非常好，在多高层钢结构中被广泛应用。而普通钢支撑通常是由失稳控制的，在中震和大震作用下容易产生整体失稳或局部屈曲，导致楼层刚度和承载力骤然下降，大
2、大降低了结构的延性和耗能能力，影响结构的抗震安全性。为避免钢支撑的受压屈曲失稳，近几年，有些学者提出采用钢管混凝土或钢筋混凝土作为外包约束来限制钢支撑屈曲，学术上把这种支撑称为防屈曲支撑。 典型的防屈曲钢支撑是由二部分组成的:承受大部分轴力的内芯耗能部分、有侧向约束作用的钢管混凝土以及减小摩擦阻力的无黏结材料。内芯部分可以采用各种类型的钢结构断面，其中最为典型的是十字形钢，另一种是一字形钢，外部由方钢管约束而成。由于钢板间的摩擦力比较小，因此不采用无黏结材料也可以有良好的侧向约束，这种外包钢管支撑制作比外包钢管混凝土的简单容易得多，且在短时间内就能做好。 防屈曲支撑是一种在受拉与受压时均能达到
3、屈服而不发生屈曲的轴力构件，而且防屈曲支撑的滞回曲线比较饱满,滞回环包围的面积大，其耗能能力远远超过普通支撑。 2 防屈曲钢支撑的工作原理与力学模型 2.1 工作原理 防屈曲支撑的轴向拉压力是全部由内核单元承受的。在受拉时达到屈服;在受压时，细长的内核单元在较小的荷载作用下就很容易屈曲，屈曲模态为最低阶模态(即最容易发生的屈曲形式，绕弱轴的半波弯曲屈曲)，然而，内核单元与约束单元间极小的间隙使得内核单元最大变形的部位率先与约束单元混凝土接触，接触反力限制了内核单元低阶屈曲的变形发展，促使内核单元进一步向更高阶的屈曲模态发展;更高阶的屈曲模态意味着更多的半波数，使得内核单元与约束单元有更多的接触
4、点，其增多的接触点处仍受到约束单元的变形限制。可以想象，如果外围约束单元具有足够的约束贡献，亦即具有足够的刚度，则外荷载可以一直增加，直到内核单元的应力达到屈服点。 2.2 力学模型 防屈曲支撑的力学性能受其的材料特性、构件形状和多种几何参数的影响。防屈曲支撑的滞回曲线一般为矩形或屈服后有一定刚度的平行四边形。因此，防屈曲支撑的恢复力模型可以采用双线性模型。 3 工程概况与模型建立 该结构主体为 6 层钢结构框架，类场地，8 度设防。纵向共三跨，每跨 6 米，共 18 米，横向两跨，宽 12 米，层高为 3 米，建筑总高度为18 米。柱截面采用工字钢截面为 HW400300，梁截面为 HW40
5、0250，楼板为组合式楼板。 防屈曲耗能支撑在 SAP2000 中采用 Plastic（Wen）单元来模拟其非线性特性，现将其布置在框架中部。输入 EICentro 地震波，加速度 U1方向，进行时程分析，持续时间为 30s，峰值加速度 341.7cm/s2，8 度0.2g。 4 减震效果分析 4.1 防屈曲钢支撑的滞回曲线 从 SAP2000 模拟的结果可以看出，约束屈曲支撑具有很好的延性，滞回曲线稳定饱满。如图 1 所示。 图 1.防屈曲钢支撑的滞回曲线图 2.连接滞回耗能 4.2 地震反应分析比较 （1）连接滞回耗能 从图 2 中可以看出，加了防屈曲钢支撑后，该钢框架基本耗散了 80%的
6、地震能量，这说明防屈曲钢支撑对框架的抗震是十分有利的。 （2）楼层的最大位移对比 分析结果表明安置有防屈曲钢支撑的钢框架比安有普通支撑的钢框架各楼层顶点的位移减小了 2/5，并且，随着层数的增大，效果越为明显。（3）层间变形对比 结果显示防屈曲钢支撑框架的层间变形明显小于普通支撑框架且层间变形在第 2 层减小最多，幅度高达 1/3。 （4）最大加速度对比 置有防屈曲钢支撑的钢框架比安有普通支撑的钢框架各楼层最大加速度减小了约 15%。 5 结论 （1）防屈曲钢支撑在受拉、受压状态下都能屈服，滞回循环饱满稳定，没有颈缩和强度折减的现象，具有很好的耗能特性。 （2）与安装有普通支撑的钢框架相比，安
7、装有防屈曲钢支撑的框架各楼层最大加速度、最大位移、层间变形均大幅度较小。可以明显的看出，防屈曲支撑起到了很好的耗能减震作用，防屈曲耗能支撑作为一种新型的耗能减震装置具有良好的耗能减震性能。 （3）加了防屈曲钢支撑后，基本耗散了钢框架 80%的地震能量，这说明防屈曲钢支撑对框架的抗震是十分有利的。 参考文献 1李妍. 防屈曲钢支撑阻尼器的试验研究.土木工程学报.2006.07 2周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用.中国建筑工业出版社2007.8 3杨秋鸣.防屈曲支撑框架体系按延性方法设计与按现行规范设计对比. 工程抗震与加固改造.2013.3 4高尔新，王永贵.防屈曲支撑滞回性能试验研究. 四川建筑科学研究.2013.5
