鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構抗震性能的振動臺試驗研究

邵建華,趙 超,劉汶津,王展光

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,鎮(zhèn)江 212005)(2.南京大德減震科技有限公司,南京 211103)(3.凱里學院 建筑工程學院,凱里 556011)

防屈曲支撐(buckling restrained brace,BRB),又稱為屈曲約束支撐．它是一種新型的支撐形式,能為框架或排架結(jié)構提供足夠的水平抗側(cè)剛度和極限承載力,在強震作用下對建筑結(jié)構的消能減震效果得到了業(yè)界的廣泛認可．

防屈曲支撐常應用于多、高層建筑的抗側(cè)力體系,主要由鋼支撐內(nèi)芯、外包約束構件,以及在上述兩者之間所設置的無黏結(jié)材料或間隙三部分組成, 具有耗能機制明確、減震效果顯著、滯回性能穩(wěn)定、施工安裝方便、易于標準化生產(chǎn)等特點．工作原理是利用外圍對內(nèi)核構件的橫向位移進行約束,防止內(nèi)核發(fā)生屈曲,使其能在軸壓作用下發(fā)生全截面屈服,從而獲得拉壓對稱的受力性能[1]．

近年來,為了研究防屈曲支撐結(jié)構的抗震性能,國內(nèi)外學者對其進行了一系列相關試驗和有限元數(shù)值分析．文獻[2-3]通過位移響應曲線對比分析了分別附加黏滯阻尼器、金屬阻尼器以及同時附加兩種阻尼器時位移響應之間的關系．文獻[4-6]對防屈曲支撐進行了擬靜力試驗,結(jié)果表明:構造合理的防屈曲支撐具有良好的耗能能力,并能在大變形時提供附加剛度;防屈曲支撐連接部位的豎向抗力與水平向抗力相對獨立．文獻[7-11]對設防屈曲支撐結(jié)構與未設支撐結(jié)構進行了對比研究,結(jié)果表明:防屈曲支撐能有效提高框架抗震性能,其中加設防屈曲支撐的框架結(jié)構剛度、承載能力、耗能和阻尼比均顯著增大．

為了測試建筑結(jié)構中附加防屈曲支撐后在各級不同地震強度作用下的抗震性能,文中采用低屈服點鋼材制作內(nèi)芯板,設計和加工了鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構模型,利用多條地震波對其進行振動臺加載試驗,研究了BRB結(jié)構在不同等級地震波作用下的破壞形式、動力特性、加速度響應、位移、應變等力學性能,并對該結(jié)構的抗震性能做出了分析與評價．

1 振動臺試驗設計方案

振動臺模型試驗是在實驗室進行模擬地震的重要手段,主要從宏觀方面研究結(jié)構地震破壞機理、破壞模式和薄弱部位,評價結(jié)構整體抗震能力并衡量減震和隔震的效果[12]．在進行振動臺試驗后,通過采集與分析數(shù)據(jù),可以精確了解構件在不同地震波強度下的抗震性能及破壞形式．

1.1 試件概況

試驗模型采用單跨兩層的鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構．考慮到振動臺性能參數(shù)(如:臺面尺寸、錨栓間距、吊裝高度、臺面最大載重量等)的要求,最終確定對原結(jié)構按照1 ∶4縮尺比例進行設計和加工制作模型,并根據(jù)Buckingham理論和量綱分析法,得到模型結(jié)構主要物理量的相似關系見表1．

表1 模型結(jié)構相似關系Table 1 Scaling factors of model structure

該結(jié)構模型每層附加2 t的質(zhì)量塊以模擬原結(jié)構承受的豎向荷載,模型總質(zhì)量為4.29 t;平面尺寸為1.2 m×1.2 m,每層層高0.8 m,其中鋼柱GZ截面采用H100 mm×100 mm×6 mm×8 mm、框架主梁GL和次梁GCL截面均采用I10工字鋼,BRB則由多塊鋼板焊接而成．其中采用低屈服點鋼材LYP100制作防屈曲支撐的內(nèi)芯板,其他所有構件的材制均采用Q235B鋼材．試件的平面圖及附加防屈曲支撐榀的立面圖如圖1;框架梁柱節(jié)點采用開坡口的全熔透焊縫連接、柱腳設置加勁肋,以保證各自節(jié)點連接的剛性,節(jié)點連接三維圖如圖2．

圖1 試件的平面和立面布置(單位:mm)Fig.1 Plan and elevation layouts of specimen (unit: mm)

圖2 節(jié)點連接的三維圖Fig.2 3D diagram of joints

1.2 防屈曲支撐構件設計

試驗設計的防屈曲支撐僅內(nèi)芯板與結(jié)構的主構件連接,所受的荷載全部由低屈服點鋼芯板承擔,外部約束鋼板僅限制芯板受壓屈曲,如圖3．

圖3 防屈曲支撐構成圖Fig.3 Buckling restrained brace

考慮振動臺的極限加載能力、試件本身的剛度和承載力,設計的低屈服點鋼芯板厚5 mm,防屈曲支撐各板件截面尺寸如圖4．通過預先焊接在框架梁、柱上的連接板,使BRB與主框架進行連接;在節(jié)點連接處,框架梁腹板設置一定數(shù)量等間距的加勁肋,以防止BRB軸向力作用下導致梁腹板發(fā)生局部受剪屈曲,如圖5．

圖4 BRB板件詳圖(單位:mm)Fig.4 Details of BRB plates (unit: mm)

圖5 BRB連接節(jié)點詳圖(單位:mm)Fig.5 Detailed connection of BRB (unit: mm)

1.3 材性試驗

為了測量鋼材的屈服強度fy、抗拉強度fu、彈性模量E、伸長率δ、屈強比等力學性能參數(shù)指標,需對試件的鋼材進行材性試驗．鋼材拉伸試驗所需材料均從母材中切取,將材性拉伸試件設計為板狀,低屈服點鋼LYP100材性拉伸試件共3個．

在拉伸試驗過程中,低屈服點鋼拉伸試件從開始加載彈性到屈服再進入強化直至頸縮斷裂階段,鋼材被拉伸得很長,斷裂后的截面面積收縮得很小,且斷口不平整,斷口呈現(xiàn)鋸齒狀,表現(xiàn)出非常優(yōu)越的延性性能．拉伸試驗斷裂后,3個低屈服點鋼材性試件如圖6．

圖6 試件斷裂Fig.6 Specimen fracture

低屈服點鋼LYP100與普通鋼Q235材性拉伸試驗的材料力學性能參數(shù)如表2．

表2 材性試驗結(jié)果Table 2 Results of material test

由表2可知,低屈服點鋼LYP100的屈服強度約為Q235鋼材的0.41倍,抗拉強度約為Q235鋼材的0.64倍,屈強比約為Q235鋼材的0.63倍,但伸長率卻將近是Q235鋼材的1.36倍．

1.4 試件制作與安裝

鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構試驗的加載設備采用臺面尺寸為4 m×6 m的振動臺,并進行單向多條水平地震波加載,振動臺性能參數(shù)如表3．

表3 振動臺性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of shaking table

試件的所有構件都在工廠加工制作,框架梁柱節(jié)點均采用全熔透的焊接連接．鋼柱腳焊接一塊厚20 mm的底板,并設置φ37 mm的螺栓孔,孔間距300 mm,以便與振動臺臺面進行螺栓連接和固定．在每層樓面鋼梁上點焊一塊5 mm厚的鋼板,以放置由橡膠隔震支座和圓形鋼板片組成的附加質(zhì)量塊．每層樓面鋼板的中心開孔,質(zhì)量塊吊裝就位后用螺栓將其固定在鋼板上,以保證其在試驗過程中不會出現(xiàn)滑移．試件制作完成后,吊裝運送至結(jié)構實驗室,如圖7．

圖7 試件安裝Fig.7 Installed specimen

1.5 測試內(nèi)容和測點布置

通過試驗測量的應變、位移響應來分析和評價鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構在不同地震波各地震強度等級作用下的抗震性能指標．應變測量采用電阻應變片,選用江蘇泰斯特電子設備制造有限公司生產(chǎn)的TST3827E動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)．位移測量采用量程為±50 mm的YHD型位移傳感器和量程為±250 mm的TST頂桿式位移計,對應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采用DH3820-Net高速靜態(tài)應變測試系統(tǒng)和TST3000動態(tài)測試分析系統(tǒng)．

鋼框架-防屈曲支撐試件的測點布置包括應變片布置和位移計布置．每個框架梁柱構件各布置4個應變測點,即柱兩側(cè)翼緣的頂端和底端各設置一個應變片,梁兩端的上下翼緣各設置一個應變片;在每個BRB上各布置兩個應變片．試件共計布置64個應變測點,在框架每層梁柱節(jié)點連接處各布置一個位移計,測點布置如圖8．

圖8 測點布置Fig.8 Layout of measurement points

1.6 加載方案

振動臺試驗一般要求選用3條以上不同的地震波,并需要考慮地震波的三要素:地震波的有效峰值、持續(xù)時間和頻譜特性,選擇適應于地震烈度、場地類型、地震分組的地震動．本次試驗篩選出符合結(jié)構動力特性的El Centro波、Kobe波、Taft波作為振動臺臺面輸入的3條地震波,如圖9．

圖9 加載的地震波Fig.9 Loading earthquake waves

在振動臺試驗中,加速度相似比Sa是施加地震波動力荷載的主要控制參數(shù),考慮到振動臺噪聲、臺面承載力、試件截面尺寸等因素,以及根據(jù)以往試驗經(jīng)驗,試驗采用的加速度相似比確定為Sa=1.8．

本試驗方案按照抗震設防烈度8度設計試件,根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)[13],即試件在多遇地震(小震)、設防地震(中震)和罕遇地震(大震)下的加速度峰值分別為0.126、0.36和0.72g．為了研究防屈曲支撐構件在不同地震強度等級作用下的耗能減震能力,試驗加載時將3條地震波的峰值加速度進行調(diào)幅,按照每間隔0.1g,設定從0.1g由小到大逐級增加到1.0g,共分為10個等級,分別對應工況1至工況10．試驗之前以及每級地震波加載之前都用白噪聲對結(jié)構模型進行掃頻,具體的試驗加載工況如表4．

表4 試驗加載工況Table 4 Loading cases of test

利用試驗實測數(shù)據(jù)進行試件的結(jié)構性能分析時,以加載的峰值加速度值略大于各地震水準的峰值加速度作為該水準的抗震性能評判,即小震、中震和大震分別對應于加載工況2(峰值加速度為0.2g)、工況4(0.4g)和工況8(0.8g)．

2 試驗現(xiàn)象

鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構在整個振動臺加載試驗過程中,各構件無明顯破壞現(xiàn)象,顯示出良好的抗震性能,試驗現(xiàn)象如圖10．

在地震波峰值加速度為工況1至工況2(小震)作用時,構件或部件間的相對晃動不明顯,沒有聲響,結(jié)構整體保持完好．在工況3至工況4(中震)地震波激勵時，二層的質(zhì)量塊有輕微的晃動和少許的聲響,并伴隨有少量灰塵,但結(jié)構整體仍保持完好,見圖10(a)．在工況5至工況6作用時,二層質(zhì)量塊有明顯地晃動,并發(fā)出聲響,柱腳焊縫處的銹斑掉落明顯,見圖10(b)．在工況7至工況8(大震)作用下,二層的質(zhì)量塊晃動更加明顯,且發(fā)出“哐哐”的聲響,此時一層的質(zhì)量塊也開始有明顯地晃動,銹斑掉落現(xiàn)象更加明顯,框架梁柱上均出現(xiàn)不同程度的微小拉裂痕,見圖10(c)．在工況9至工況10作用下,二層的質(zhì)量塊晃動很大,并發(fā)出巨大聲響,一層的質(zhì)量塊也晃動明顯,灰塵抖落嚴重,有部分架設的位移計、應變連接線被震落,見圖10(d)．

圖10 試驗現(xiàn)象Fig.10 Test phenomena

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 動力特性

在各級地震波加載工況之前,先對結(jié)構進行白噪聲掃頻,得到結(jié)構的自振頻率,然后采用半功率帶寬法[14]計算結(jié)構的阻尼比．白噪聲激勵下試件的動力特性如表5．

表5 試件的自振頻率和阻尼比Table 5 Natural frequency and damping ratio of specimen

由表5可知,鋼框架-防屈曲支撐試件的初始基本自振頻率為23.12 Hz,初始阻尼比為2.78%．隨著試驗加載的地震波峰值加速度增大,結(jié)構的自振頻率逐漸降低,周期變長,且阻尼比越來越大．這是由于柱腳都是通過高強螺栓與振動臺面連接,而且所有的附加質(zhì)量塊均通過螺栓桿固定在框架樓層．隨著輸入峰值加速度的增大,螺栓會產(chǎn)生松動而引起構件間的相互摩擦,使得結(jié)構的阻尼比增加．

(1)

式中:k0、k分別為結(jié)構試驗時的初始剛度和某一工況下加載完成時的剛度;f0、f分別為結(jié)構的初始自振頻率和某一工況加載結(jié)束時的實測頻率．

由式(1)得到試件的剛度退化率如圖11．由圖可知:從整體上看,隨著峰值加速度的增加,剛度退化率下降越來越顯著．在整個試驗過程中,結(jié)構的剛度退化率最大值為5.4%,退化程度并不太大,說明試件在試驗結(jié)束時還具有較強的水平抗側(cè)剛度．試件在8度小震和中震作用下的剛度退化率僅分別為0.33%和1.0%;而在大震作用下剛度的退化較之前更為明顯,為3.55%．

圖11 結(jié)構的剛度退化Fig.11 Stiffness degradation of the specimen

3.2 加速度響應

振動臺試驗常用加速度放大系數(shù)來表征結(jié)構模型在不同地震工況下的動力放大特性．鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構模型在3條不同加載地震波作用下小震、中震和大震時的加速度放大系數(shù)如圖12．

圖12 試件的加速度放大系數(shù)Fig.12 Acceleration amplification factor of the specimen

由圖12可知,結(jié)構第二層的加速度放大系數(shù)要大于第一層;在相同的地震強度等級作用下,不同的地震波對結(jié)構的動力放大效應有著明顯的區(qū)別,EL Centro波的地震作用要優(yōu)于另外兩條地震波;對于同一種地震波,結(jié)構的加速度放大系數(shù)隨著地震強度的增大而減小,在Taft波小震、中震和大震作用下二層的加速度放大系數(shù)分別為3.62、3.43和2.97．這是由于地震作用越大,結(jié)構的響應越劇烈,各部件之間會產(chǎn)生摩擦和相對運動、螺栓松動等現(xiàn)象,從而減輕結(jié)構的動力放大效應．因此,結(jié)構的加速度放大系數(shù)與地震作用強度、選擇的地震波、結(jié)構層數(shù)等因素都有關系．

3.3 位移響應

層間位移是抗震規(guī)范中的一個重要設計指標,“大震不倒”的抗震設計目標就是通過結(jié)構層間位移來控制．通過分析試件各層測點布置的位移傳感器所采集的數(shù)據(jù),可得到結(jié)構各層的最大位移及最大層間位移角,其中試件在3種不同地震波各加載工況下每層的最大位移包絡如圖13．

圖13 試件的最大位移包絡Fig.13 Maximum displacement envelope of the specimen

由圖13可知,結(jié)構的最大位移隨著峰值加速度的增加而增大,呈上升趨勢．在中震(工況4)作用之前,結(jié)構各層的最大位移值都較小,位移增加較緩慢,且變化趨勢呈近似直線,此時結(jié)構保持彈性狀態(tài)．而在中震至大震(工況8)作用時,結(jié)構的最大位移明顯增加,且位移不再按原來直線變化,增大趨勢更加顯著,這是由于此時結(jié)構出現(xiàn)了一定的損傷,水平抗側(cè)剛度下降相對較多,導致位移變化更大．

根據(jù)各層測點所測量的位移時程,得到試件在不同地震波各加載強度等級下的最大層間位移角,如表6．由表可知,在小震(工況2)下,3條地震波作用時結(jié)構的最大層間位移角平均值為1/3 000,遠小于《建筑抗震設計規(guī)范》中規(guī)定的彈性層間位移角限值1/250;在大震(工況8)下,結(jié)構的最大層間位移角平均值為1/314,小于彈塑性層間位移角限值1/50．以上表明,鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構具有較高的水平抗側(cè)剛度和良好的抗震性能,完全能滿足結(jié)構抗震設計中的性能指標要求．

為了對比分析不同地震波對結(jié)構抗震性能的影響,繪制出3條地震波作用下二層最大層間位移角的變化規(guī)律,如圖14．

圖14 二層的層間位移角Fig.14 Inter-story drift ratio at the second floor

由圖可知,在峰值加速度為0.1g～0.4g時,3條地震波下結(jié)構的層間位移角變化大致相同,呈線性變化,且數(shù)值無較大差異;在0.4g～0.6g時,同等地震強度下Kobe波的最大層間位移角響應遠大于El Centro波和Taft波,最大值達到1/400;在0.6g～0.9g時,El Centro波下的最大層間位移角變化呈直線上升狀態(tài),而另兩條地震波下層間位移角的增加幅度則相對緩慢,試驗結(jié)束時El Centro波下的層間位移角最大,為1/263．

表6 試件的最大層間位移角Table 6 Maximum inter-story drift ratio of the specimen

3.4 應變響應

通過布置在鋼框架-防屈曲支撐試件各層測點上的應變片,可得到實測的應變時程數(shù)據(jù)．試件柱底處在3條地震波小震(工況2)和大震(工況8)作用下的應變時程曲線如圖15．由圖可知,加載的峰值加速度越大,柱底的應變響應值越大;不同地震波對結(jié)構產(chǎn)生的最大應變響應具有差異性;在同一地震波不同強度作用下,應變響應時程曲線形狀并不相似,曲線并不是根據(jù)峰值加速度的比值關系直接地線性放大或縮?。?/p>

圖15 小震和大震下的柱底應變Fig.15 Strain at the column base under frequent earthquake and rare earthquake

為了研究附加防屈曲支撐之后對主結(jié)構的抗震保護和強度狀態(tài),在結(jié)構框架梁和柱不同位置上布置了大量的應變片,得到了主結(jié)構在不同地震波加載作用下的應變,以El Centro波為例,其應變變化見圖16．由圖可知,隨著地震峰值加速度增加,結(jié)構梁和柱各測點的應變值逐漸增大,在工況0.5g前,所測位置處的應變值都較小,且呈線性變化,結(jié)構處于彈性工作階段;而在工況0.6g后,此時結(jié)構剛度退化明顯,各測點的應變值都顯著增加,且呈非線性變化．框架梁上、下翼緣的最大拉或壓應變值在地震強度等級較小時,兩者相差不大,但加載等級變大后,兩者差別很明顯,且下翼緣的應變值比上翼緣大．同一工況下,一層柱的應變值要大于二層柱,所以在設計時需要對底層柱進行構件截面加強,以避免底層柱過早地出現(xiàn)塑性鉸而發(fā)生破壞．

圖16 El Centro波下框架的最大應變Fig.16 Maximum strain of steel frame under El Centro wave

4 結(jié)論

采用低屈服點鋼材制作內(nèi)芯板,設計和加工制作了1/4縮尺的鋼框架-防屈曲支撐結(jié)構模型,利用多條地震波對其進行不同地震強度等級作用下的振動臺加載試驗,得出如下結(jié)論:

(1) 試驗經(jīng)歷大震加載之后,少部分位移計被震落,鋼構件表面出現(xiàn)不規(guī)則的拉裂紋,焊縫處銹斑脫落明顯,但各構件無明顯破壞現(xiàn)象,說明防屈曲支撐具有良好的消能減震效果,使結(jié)構的抗震能力得到提高．

(2) 試件的初始基本自振頻率為23.12 Hz,初始阻尼比為2.78%．隨著加載的峰值加速度增大,自振頻率逐漸降低,但阻尼比逐漸增加．在小震和中震下的剛度退化率僅分別為0.33%和1.0%,而大震下剛度的退化則較為明顯,試驗結(jié)束時達到5.4%．

(3) 加速度放大系數(shù)隨結(jié)構高度的增加而增大,且相同的地震強度等級作用下,不同地震波對結(jié)構的動力放大效應具有差異性,在Taft波小震、中震和大震作用下二層的加速度放大系數(shù)分別為3.62、3.43和2.97．

(4) 小震下,3條地震波作用時結(jié)構的最大層間位移角平均值為1/3 000,遠小于規(guī)范的限值1/250;大震下,其值為1/314,小于限值1/50,表明試件具有較高的水平抗側(cè)剛度,滿足抗震設計要求．

(5) 隨著地震峰值加速度增加,框架梁和柱各測點的應變值逐漸增大,且在工況5前,應變值較小,呈線性變化;而在工況6后,應變值顯著增加,呈非線性變化．