約束屈曲支撐耗能性能試驗(yàn)研究

殷占忠 王秀麗（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭 州 730050）

抗震設(shè)計(jì)方法是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的剛度來(lái)抵御地震作用，滿足抗震設(shè)防目標(biāo)，當(dāng)遇到強(qiáng)烈地震時(shí)結(jié)構(gòu)的主受力構(gòu)件將進(jìn)入彈塑性工作階段，造成結(jié)構(gòu)的損傷。因而提高大跨空間結(jié)構(gòu)的安全度、降低結(jié)構(gòu)損傷將是大跨空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。而我國(guó)大部分地區(qū)又處于地震區(qū)，需要考慮地震動(dòng)的影響，所以對(duì)結(jié)構(gòu)抗震減震性能進(jìn)行深入細(xì)致的研究有著非常重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值[1～3]。鑒于此，本文提出一種可用于保護(hù)結(jié)構(gòu)的耗能支撐，即帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐，并對(duì)該支撐進(jìn)行了新型支撐構(gòu)件的試驗(yàn)研究，分析了支撐在循環(huán)加載下帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐的耗能性能，并且討論了外套管間隙、外套管剛度對(duì)滯回曲線的影響。

1 模型參數(shù)

通過(guò)已有有限元分析結(jié)果，取三組帶五個(gè)接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐作為試驗(yàn)的模型[4～6]。試件主要由內(nèi)核管、外套管及接觸環(huán)構(gòu)成，其尺寸及構(gòu)造見(jiàn)表1 和圖1。試件所選用材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，構(gòu)件與加載架連接時(shí)焊縫均采用全熔透的坡口焊，焊條采用E43 系列，焊縫質(zhì)量控制為Ⅱ級(jí)。鋼管采用熱軋無(wú)縫鋼管和焊接鋼管。

表1 構(gòu)件尺寸表

圖1 試件模型構(gòu)造圖

2 加載方式

通過(guò)理論計(jì)算初步確定的梁柱連接節(jié)點(diǎn)的極限荷載和最大節(jié)點(diǎn)位移，參考已有試驗(yàn)的加載方案，確定整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程是在結(jié)合位移監(jiān)測(cè)的力的控制狀態(tài)下進(jìn)行。加載時(shí)采取分級(jí)遞增加載方式，在100kN 以前，增量荷載為1.5mm，當(dāng)超過(guò)100kN 后，材料有可能進(jìn)入塑性變形，出現(xiàn)破壞，故而取1mm 為增量荷載，見(jiàn)圖2。

圖2 加載制度

3 材料屬性

本試驗(yàn)構(gòu)件采用圓鋼管的分為兩組，Φ60×3.5 圓管和Φ45×2.5 圓管，構(gòu)件材料性能由加工試件的鋼管切割并加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3 個(gè)，然后在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得Φ60×3.5 鋼材的極限強(qiáng)度為464.13 MPa，屈服強(qiáng)度為237.32 MPa；測(cè)得Φ45×2.5 鋼材的極限強(qiáng)度為486.27 MPa，屈服強(qiáng)度為286.76 MPa；對(duì)于連接所用高強(qiáng)度螺栓，材料的屈服強(qiáng)度為640 Mpa，試件拉斷時(shí)的極限強(qiáng)度為890 MPa；彈性模量平均值為212.14GPa，泊松比約為0.3。

4 循環(huán)加載試驗(yàn)

考慮到經(jīng)濟(jì)因素，試驗(yàn)采用擬動(dòng)力試驗(yàn)來(lái)近似模擬帶接觸環(huán)雙鋼管約束屈曲支撐在地震作用下的情況，通過(guò)循環(huán)加載后得到了相應(yīng)的荷載位移曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線

4.1 滯回性能分析

根據(jù)各種構(gòu)件恢復(fù)力特征研究結(jié)果，構(gòu)件的滯回曲線可歸納為四種典型形態(tài)。其中，梭型的曲線形狀飽滿圓滑，力與位移關(guān)系穩(wěn)定。壓彎構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)的表現(xiàn)：弓形中部?jī)?nèi)凹，存在“捏縮”效應(yīng)；反S 形存在嚴(yán)重的“捏縮”效應(yīng)，表明存在較大剪力、是框架、梁柱節(jié)點(diǎn)等有較大剪力影響的彎剪破壞的表現(xiàn)；Z 形反應(yīng)了大量的滑移影響，是發(fā)生剪切滑移，具有一定延性的剪切破壞的表現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，剪切受力影響越大，滯回曲線形狀的“捏縮”現(xiàn)象越明顯。在許多構(gòu)件中，往往開(kāi)始是梭形，然后發(fā)展到弓形、反S 形或Z 形。滯回環(huán)面積表征構(gòu)件耗能能力，面積越大，耗能能力越強(qiáng)。在四種典型滯回曲線中，梭形耗能能力最強(qiáng)，弓形次之，反S 形最差[7]。

從 圖4 中 可 以 看 到， 試 件MBRBs-1 至MBRBs-3 的荷載-位移曲線飽滿，面積大，滯回曲線呈梭形，具有良好的吸能能力。

4.2 約束剛度和間隙對(duì)試件滯回性能的影響

試 件 MBRBs-1、MBRBs-2 和 試 件MBRBs-3 除約束鋼管剛度和兩管間間隙不同外，其它參數(shù)都相同，只是試件MBRBs-1、MBRBs-2 的約束剛度差別較大， MBRBs-3 約束剛度差別較小，從這三條曲線明顯的看到：

（1）從滯回曲線的飽滿程度來(lái)看，構(gòu)件MBRBs-1 和MBRBs-2 的 滯 回 性 能 最 飽滿， MBRBs-3 面積較小。從表1 可以看出，MBRBs-2 和MBRBs-1 的剛度剛度較大，說(shuō)明剛度增大，導(dǎo)致當(dāng)間隙都適當(dāng)?shù)那闆r下能得到較好的滯回性能。從圖4（a）、（b）來(lái)看，滯回曲線的形狀非常近似，面積相差不大，耗能性能相當(dāng)。只有滯回曲線與X 軸的夾角不同，試件MBRBs-1 和MBRBs-2 大 于 試 件MBRBs-3，說(shuō)明初始剛度不同，即證明了增設(shè)接觸環(huán)之后使支撐的初始剛度增大。

（2）從滯回曲線發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，曲線都比較穩(wěn)定，試件沒(méi)有出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度退化，剛度退化比較明顯。主要原因在于增設(shè)接觸環(huán)之后能夠保證構(gòu)件內(nèi)核屈服并進(jìn)入塑性階段，剛度降低，但約束作用構(gòu)件不會(huì)喪失承載能力。當(dāng)外套管約束剛度較大和間隙適當(dāng)時(shí)支撐的耗能能力越強(qiáng)。

（2） 從 構(gòu) 件MBRBs-1 和MBRBs-3 的 滯回曲線（圖4a～c）看到，當(dāng)這兩個(gè)構(gòu)件的約束剛度相差較大，而間隙都相差不大時(shí)，表現(xiàn)出非常相似的滯回曲線，說(shuō)明間隙起的作用要比剛度更加明顯。

4.3 內(nèi)核長(zhǎng)細(xì)比對(duì)耗能性能的影響

通過(guò)對(duì)構(gòu)件MBRBs-2 和MBRBs-3 的滯回曲線進(jìn)行比較，當(dāng)約束套管剛度相差不大時(shí)構(gòu)件的滯回曲線形狀相似，只是峰值不同。在約束剛度和間隙合理的情況下，初步表明這種約束屈曲支撐的內(nèi)核長(zhǎng)細(xì)比可以取較大的值，讓內(nèi)核管面積減小，更好地屈服耗能。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)帶五個(gè)接觸環(huán)的三組雙鋼管約束屈曲支撐的試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論有：

（1）帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐構(gòu)件，具有良好的吸能性能，且該支撐在受拉和受壓時(shí)都可屈服，受壓時(shí)性能較穩(wěn)定。

（2）帶接觸環(huán)的雙鋼管約束屈曲支撐連接段更加可靠，破壞不會(huì)發(fā)生在連接段，且連接方便。

（3）試件的荷載-位移曲線飽滿，呈梭形，面積大，具有良好的吸能能力。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在受拉時(shí)的承載力略小于受壓時(shí)的承載力。

（4）約束剛度、間隙都對(duì)支撐的滯回性能有顯著影響。當(dāng)約束剛度較大而間隙較小時(shí)滯回性能較好。

[1] Yamaguchi M.， Yamada， and Matsumoto Y.et al.Full-Scale shaking table test of damage tolerant structure with a buckling restrained brace[J].Journal of structural and construction engineering.2002，558：189-196.

[2] 汪家銘，中島正愛(ài). 屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展（Ⅱ）[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7（2）：1-11.

[3] 曹資，薛素鐸. 空間結(jié)構(gòu)抗震理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.劉建彬.防屈曲支撐及防屈曲支撐框架設(shè)計(jì)理論研究[D].北京：清華大學(xué)，2005.

[4] 殷占忠;王秀麗.帶接觸環(huán)的約束屈曲支撐有限元分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34（5）：122-126 .

[5] 王秀麗;陳祥勇; 殷占忠.約束屈曲支撐對(duì)K6 型球面網(wǎng)殼減震效果分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19（1）：122-126.

[6] 王秀麗，陳明.一種適用于桿系結(jié)構(gòu)的屈曲約束支撐的有限元分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(3)：124-127.

[7] 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程（JGJ101-96）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.