防屈曲支撐二次剛度在不同位移幅值下取值的探討

 地震是人類面臨最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，強(qiáng)烈的地震往往帶來(lái)巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。隨著建筑抗震技術(shù)的發(fā)展及抗震機(jī)理的深入分析，消能減震已成為抗震技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。
防屈曲支撐作為一種特殊的支撐構(gòu)件，在風(fēng)荷載或者小震作用下可以同普通鋼支撐一樣提供抗側(cè)剛度。當(dāng)出現(xiàn)中震或者大震時(shí)隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，作為消能構(gòu)件通過(guò)滯回變形消耗輸入結(jié)構(gòu)地震能量，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的作用。在中震或者大震中防屈曲支撐通過(guò)鋼芯的屈服進(jìn)行耗能，同時(shí)支撐的剛度會(huì)減小。
1 防屈曲支撐的主要結(jié)構(gòu)及原理
防屈曲支撐主要由鋼芯、無(wú)粘結(jié)涂層、約束單元組成。
原理：由于側(cè)向受約束單元對(duì)芯材的有效約束，可以防止芯材受壓屈曲，同時(shí)無(wú)粘結(jié)涂層提供芯材因受壓膨脹所需間隙，使得支撐在受拉受壓時(shí)都能達(dá)到全截面屈服，受壓承載力與受拉承載力相當(dāng)，從而充分發(fā)揮鋼材的滯回耗能作用，滯回曲線穩(wěn)定飽滿。
2 剛度計(jì)算
2.1 屈服前剛度（一次剛度） 防屈曲支撐主要受力單元為芯材，由于無(wú)粘結(jié)涂層的存在芯材與約束單元之間的摩擦力可忽略。因此計(jì)算防屈曲支撐的剛度，只需計(jì)算芯材的剛度。
在支撐工作段L1未屈服時(shí)，芯材的工作段、過(guò)渡段、連接段都處于彈性狀態(tài)，此時(shí)支撐一次剛度：
Ku=■=■ （1）
式中K1、K2、K3分別為工作段L1、過(guò)渡段L2、連接段L3的彈性剛度。
2.2 理論屈服后剛度（二次剛度） 在防屈曲支撐工作時(shí)只有芯材的工作段進(jìn)入屈服狀態(tài)，而芯材的過(guò)渡段、連接段都處于彈性范圍內(nèi)，理論上此時(shí)防屈曲支撐的屈服后剛度：
Kd=■=■ （2）
式中KC、K2、K3分別為工作段L1屈服后剛度、過(guò)渡段L2、連接段L3的彈性剛度。
3 實(shí)際工作中防屈曲支撐二次剛度
從多次的防屈曲支撐軸向低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)在不同的拉壓循環(huán)幅值下在極限承載力內(nèi)呈現(xiàn)出支撐二次剛度隨拉壓幅值的增大而減小的趨勢(shì)。
4 試驗(yàn)研究
4.1 試件規(guī)格 本次防屈曲支撐構(gòu)件由柳州東方工程橡膠制品股份公司制作完成，共3個(gè)規(guī)格，芯材材質(zhì)為Q235B，規(guī)格依次為OVM-QYF200×2300-A、OVM-QYF275×2300-A、OVM-QYF245×2300-A、QYF中的F表示的是套管為方形，Y表示芯材為一字型，200代表的是材性試驗(yàn)得到的芯材屈服承載力約為200kN，2300表示的是芯材長(zhǎng)度為2300mm，符號(hào)A表示端部連接為焊接。
4.2 加載制度 3個(gè)規(guī)格試件采用相同的加載制度，以構(gòu)件的總長(zhǎng)度L為基準(zhǔn)，依次在L/1000、L/500、L/300、L/200的位移幅值下分別循環(huán)3次以后，然后在L/150的位移幅值下往復(fù)循環(huán)30次，之后繼續(xù)在L/150、L/100、L/70的位移幅值下分別循環(huán)3次。
4.3 試驗(yàn)滯回曲線
4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析
分析及結(jié)論：①防屈曲支撐軸向低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，隨著支撐變形位移幅值的增大二次剛度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定值。②芯材材質(zhì)為Q235B的防屈曲支撐在位移幅值為L(zhǎng)/500、L/300、L/200、L/150、L/100、L/70時(shí)即對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.2%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%、1.4%。在每個(gè)位移幅值下的二次剛度與屈服前剛度的比值都分別為0.24、0.11、0.06、0.03、0.01、0.01。③在工程軟件數(shù)值分析中，二次剛度的選取按公式（2）取值顯然跟實(shí)際值偏差很大。而按不同位移幅值下的剛度比進(jìn)行取值更為合理。
5 結(jié)語(yǔ)
本文從防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)原理，對(duì)防屈曲支撐屈服前剛度，二次剛度進(jìn)行計(jì)算分析。針對(duì)屈服后剛度理論計(jì)算與防屈曲支撐軸向低周反復(fù)加載試驗(yàn)，所呈現(xiàn)出不同位移幅值下不同的二次剛度值的問(wèn)題，進(jìn)行了三種規(guī)格的防屈曲支撐試件試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了芯材材質(zhì)為Q235B的防屈曲支撐在位移幅值為L(zhǎng)/500、L/300、L/200、L/150、L/100、L/70時(shí)即對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.2%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%、1.4%。在每個(gè)位移幅值下的二次剛度與屈服前剛度的比值都分別為0.24、0.11、0.06、0.03、0.01、0.01的規(guī)律?？勺鳛楣こ誊浖拐饠?shù)值分析中，對(duì)在不同層間位移設(shè)計(jì)時(shí)二次剛度參考值。