寬厚比對(duì)新型屈曲約束支撐性能影響的試驗(yàn)研究

熊 瑛，楊艷敏*，謝曉娟，蔡天元，孟祥琨，王 鵬

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130011

屈曲約束支撐(Buckling-restrained brace,英文縮寫為BRB)是一種新型耗能支撐,通過(guò)在普通支撐外圍設(shè)置約束套筒,抑制其發(fā)生橫向彎曲而不限制其縱向伸縮,從而實(shí)現(xiàn)支撐破壞時(shí)表現(xiàn)為全截面屈服[1].屈曲約束支撐具有較高的承載能力和耗能能力,兼具普通支撐和耗能構(gòu)件的雙重作用,既解決了普通支撐承載能力不足的問(wèn)題,還能為結(jié)構(gòu)提供一定的抗側(cè)剛度,抵御風(fēng)荷載和地震作用[2].

然而,傳統(tǒng)的屈曲約束支撐大多以普通混凝土作為填充材料,存在自重大等問(wèn)題,且大量研究表明,十字型屈曲約束支撐破壞通常發(fā)生在端部.針對(duì)這些問(wèn)題,提出一種切削十字型屈曲約束支撐,填充材料采用輕骨料混凝土,以減輕支撐自重.通過(guò)切削工藝,將核心段削薄,既節(jié)省材料,還能使支撐的端部和核心部分幾乎同時(shí)發(fā)生破壞.

為避免因截面尺寸突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中,在連接段與核心段中間設(shè)計(jì)一個(gè)25°的斜坡.在切削十字型屈曲約束支撐的基礎(chǔ)上,探究核心段寬厚比對(duì)支撐性能的影響.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)核心段寬厚比分別為10和14的十字型屈曲約束支撐各一根,研究寬厚比對(duì)屈曲約束支撐性能的影響.因輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等特點(diǎn),采用LC 30輕骨料混凝土作為支撐填充材料,以達(dá)到減輕支撐自重的效果.所有支撐構(gòu)造尺寸均一致,長(zhǎng)為1 300 mm,外包鋼套管長(zhǎng)為950 mm,截面尺寸為100 mm×100 mm×2.5 mm.試件具體參數(shù)如表1所示,寬厚比為10和14的試件芯材如圖1所示.

表1 試件編號(hào)及參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Specimen number and parameter design

圖1 試件芯材Fig.1 Specimen core materials

首先,利用切削工藝削弱芯材角鋼的核心耗能段,連接段和耗能段通過(guò)25°的斜坡過(guò)渡,避免截面尺寸突變產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力集中.采用兩根等邊熱軋角鋼對(duì)頂組合成十字型截面,屈服耗能段組合角鋼通過(guò)段焊固定,連接段和過(guò)渡段淺焊,減小殘余應(yīng)力等問(wèn)題的影響.過(guò)渡段粘貼聚苯乙烯泡沫,為承受荷載時(shí)提供壓縮空間,然后在工作段、過(guò)渡段外涂刷厚度為0.5 mm的硅膠,以保證內(nèi)核單元能沿軸向滑動(dòng),同時(shí)防止出現(xiàn)環(huán)箍效應(yīng).將芯材嵌入外包鋼管后,在空隙中澆灌填充材料并進(jìn)行養(yǎng)護(hù),最終安裝端板.

1.2 材料性能

對(duì)支撐的各部分材料進(jìn)行性能試驗(yàn),為之后計(jì)算和分析提供依據(jù).鋼材和輕骨料混凝土的力學(xué)性能如表2和表3所示.

表2 鋼材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel

表3 混凝土力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of concrete

1.3 加載裝置

本次試驗(yàn)所用加載裝置為吉林建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的PA-500型疲勞試驗(yàn)系統(tǒng).設(shè)備最大試驗(yàn)力為±500 kN,行程位移為±50mm.加載裝置示意圖如圖2所示,實(shí)際加載裝置如圖3所示.

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 Diagram of loading device(A 1～A 4用于測(cè)量試件軸向位移；A 5,A 6用于測(cè)量試件撓曲變形.)

圖3 實(shí)際加載裝置Fig.3 Actual loading device

位移計(jì)布置情況見(jiàn)圖2,位移值取兩組位移的平均值.根據(jù)《屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》DB 34/T 5069-2017規(guī)定,加載采用位移控制法,以0.8mm/s的速率進(jìn)行加載.位移幅值見(jiàn)表4.

表4 試驗(yàn)幅加荷值Table 4 Test amplitude loading

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及失效模式

BRB-1的破壞形態(tài)如圖4所示.

圖4 BRB-1芯材破壞形態(tài)Fig.4 BRB-1 core failure mode

試驗(yàn)加載初期,由于端板與芯材之間縫隙較小,且端板較薄,試件受到拉壓作用時(shí),芯材與端板之間因摩擦而發(fā)出清脆的聲響.隨著加載不斷進(jìn)行,螺栓和螺栓孔之間產(chǎn)生“空程滑移”,試件兩端位移計(jì)差值逐漸增大,但試件中部位移值保持不變.當(dāng)加載到1/90的第13循環(huán)時(shí),受拉位移達(dá)到最大值時(shí),支撐軸力急劇減小,試驗(yàn)結(jié)束.

試件BRB-2的破壞形態(tài)如圖5所示.加載前期現(xiàn)象與BRB-1相似,當(dāng)加載到試件長(zhǎng)度1/90的第6循環(huán)時(shí),在壓力作用下試件加載端連接段突然發(fā)生屈曲,試件失穩(wěn),中部位移值迅速增大,試驗(yàn)結(jié)束.

圖5 BRB-2芯材破壞形態(tài)Fig.5 BRB-2 core failure mode

將外圍方鋼管切割開,發(fā)現(xiàn)試件BRB-1混凝土的各個(gè)部位都沒(méi)有明顯的破壞現(xiàn)象,BRB-2只有端部混凝土被擠碎,其他部位完好無(wú)損,說(shuō)明兩個(gè)試件輕骨料混凝土強(qiáng)度均滿足要求.BRB-1試件芯材限位卡附近靠近加載端一側(cè)被拉斷,芯材連接段位置沒(méi)有出現(xiàn)明顯屈曲,而核心耗能段出現(xiàn)了多波屈曲現(xiàn)象.BRB-2試件芯材端部先達(dá)到極限承載力而破壞,且加載端屈曲現(xiàn)象更為明顯,芯材過(guò)渡段鋼材出現(xiàn)部分開裂.

對(duì)比兩個(gè)試件的破壞過(guò)程,可以得到核心段寬厚比較大的試件,在支撐受壓時(shí)連接段發(fā)生屈曲失穩(wěn)而破壞；而核心段寬厚比較小的試件,在支撐受拉時(shí)核心耗能段發(fā)生斷裂而破壞.試件中部位移值始終沒(méi)有明顯變化,說(shuō)明外圍約束抗彎強(qiáng)度滿足要求,達(dá)到防屈曲的目的.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

兩個(gè)試件的滯回曲線如圖6所示.

(a) BRB-1

BRB-1試件的滯回曲線非常飽滿,屈曲平滑,無(wú)捏縮現(xiàn)象.位移為支撐長(zhǎng)度1/90時(shí),拉壓循環(huán)次數(shù)較多,且每個(gè)循環(huán)曲線都重合較好,最終在1/90第13循環(huán)試件受拉位移達(dá)到最大時(shí),支撐軸力迅速減小,約為最大拉力值的1/2.BRB-2試件滯回曲線比較飽滿,屈曲平滑,無(wú)捏縮現(xiàn)象.試件由受壓向受拉轉(zhuǎn)化時(shí),由于芯材與外圍約束處于磨合階段,在位移為零處曲線都存在較為明顯的拐點(diǎn)；位移達(dá)到1/90第6循環(huán)時(shí),在試件受壓段支撐軸力急劇減小.

各試件均表現(xiàn)出良好的耗能能力.隨著加載位移增加,屈曲約束支撐試件滯回環(huán)所包面積逐漸增大,進(jìn)入塑性階段后,試件開始發(fā)揮耗能作用.屈曲約束支撐芯材在同一位移下,隨循環(huán)次數(shù)增加,試件承載力和剛度退化不明顯.

3.2 耗能系數(shù)

對(duì)滯回曲線進(jìn)行分析,可以得到各支撐試件的抗震參數(shù),其中耗能系數(shù)是反映試件吸收地震能量能力的重要指標(biāo)[3].經(jīng)計(jì)算,各試件的耗能系數(shù)如圖7所示.

圖7 耗能系數(shù)Fig.7 Energy dissipation coefficient

隨著加載位移增加,耗能系數(shù)呈增大趨勢(shì),說(shuō)明隨著位移增加,試件耗能能力穩(wěn)步提升.在相同加載位移下,同一試件耗能系數(shù)非常接近,差值都在10 %以內(nèi).試件在較高的應(yīng)變幅值下循環(huán)加載時(shí),核心單元的彎曲殘余變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大,導(dǎo)致其屈服后剛度下降,從而造成耗能系數(shù)有所下降,故在1/90位移加載下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,耗能系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì),但減少幅度較小,對(duì)支撐的耗能能力影響不大.

試件BRB-1的耗能系數(shù)相對(duì)較大,當(dāng)加載到試件長(zhǎng)度1/90時(shí),其耗能系數(shù)最大值達(dá)到3.34,相較于試件BRB-2的3.16提高5.7 %,體現(xiàn)出更好的耗能能力.

3.3 累積塑性變形

此外,屈曲約束支撐的累積塑性變形能力是評(píng)價(jià)其抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo),作為結(jié)構(gòu)的耗能構(gòu)件,屈曲約束支撐變形能力越強(qiáng),說(shuō)明其持續(xù)耗散外部輸入能量的能力越強(qiáng).經(jīng)計(jì)算,試件的累積塑性變形見(jiàn)表5.

表5 試件累積塑性變形Table 5 The specimen underwent cumulative plastic deformation

美國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范《Seismic Provisions for Structural Steel Buildings》[4]依據(jù)Sabelli等[5]人的研究結(jié)果,將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動(dòng)(DBE)下鋼框架結(jié)構(gòu)中屈曲約束支撐的累積塑形變形需求規(guī)定為200,各試件均滿足規(guī)范要求.由于核心段寬厚比為10的試件最后一級(jí)加載循環(huán)次數(shù)大約為核心段寬厚比為14試件的2倍,故其累積塑性變形值較大,塑性變形能力更好.試件BRB-1的累積塑性變形大約為試件BRB-2的1.43倍.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同寬厚比的切削十字型屈曲約束支撐試件進(jìn)行低周拉壓循環(huán)試驗(yàn),對(duì)破壞形態(tài)和地震參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,得出以下結(jié)論：

(1) 芯材核心段寬厚比較小的試件因角鋼中部斷裂而破壞,寬厚比較大的試件破壞部位出現(xiàn)在芯材端部.

(2) 核心段寬厚比較小的試件滯回曲線循環(huán)次數(shù)更多,耗能能力與累積塑性變形能力較好,同時(shí)避免支撐端部過(guò)早發(fā)生破壞,體現(xiàn)出較好的疲勞性能,建議芯材寬厚比在5～10之間.

(3) 各試件滯回曲線飽滿,耗能系數(shù)隨位移幅值增加而增大,最大不低于3.0,耗能能力較好,累積塑性變形均大于規(guī)范規(guī)定的最小值200,具有較好的延性.

(4) 切削十字型屈曲約束支撐各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》-JGJ297-2013的要求,且造價(jià)低廉,構(gòu)造簡(jiǎn)單.