頻率效應(yīng)對屈曲約束支撐耗能性能的影響

謝志秦

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710000)

1 研究背景

屈曲約束支撐是一種于受拉與受壓時均能屈服但不屈曲的軸力構(gòu)件,力學(xué)行為穩(wěn)定,具有優(yōu)良的抗疲勞性質(zhì),因此具備消能構(gòu)件的功能。近年來,試驗(yàn)證實(shí),屈曲約束支撐不僅可以有效提升結(jié)構(gòu)的整體的剛度又可吸收地震力的能量,并且其可改善傳統(tǒng)支撐可能于側(cè)向產(chǎn)生屈曲的缺點(diǎn)具有良好的消能機(jī)制。

由于我國針對屈曲約束支撐的研究較晚,但是進(jìn)展很快,前期工程中使用的屈曲約束支撐部分依賴進(jìn)口,工程造價相對較高,近年國內(nèi)針對屈曲約束支撐的研究內(nèi)容主要是以我國的國情為出發(fā)點(diǎn),提出新型式的具有良好耗能性能的屈曲約束支撐 ,如同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)等提出了各種樣式的屈曲約束支撐并申請成專利[1]。

2 研究內(nèi)容

地震力作用于建筑結(jié)構(gòu)時候,由于屈曲約束支撐要在建筑構(gòu)件屈服前先發(fā)生屈服,消耗傳入結(jié)構(gòu)的地震能量,鋼材的性能直接影響建筑物的抗震性能。在屈曲約束支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)時,支撐的屈服位移是很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。所以以往在屈曲約束支撐進(jìn)行測試時,加載過程主要采用位移控制,加載制度主要采用的是美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(AISC)于2010年頒布的鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范規(guī)定的屈曲約束支撐的加載歷程[2],其中關(guān)于測試時的加載速率并未做相關(guān)的規(guī)定,目前國內(nèi)外在做關(guān)于支撐測試時均采用加載速率為恒定速率,一般取0.05mm/s左右[3],加載過程比較緩慢。但是在實(shí)際地震過程中,支撐在地震力作用下的變形速率遠(yuǎn)大于0.05mm/s,且速率不恒定。

根據(jù)先前的試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn),在屈曲約束支撐測試過程中,即支撐已經(jīng)屈服但未破壞時,暫停加載一段時間后繼續(xù)加載至完全破壞,該支撐的累積非彈性變形量遠(yuǎn)高于持續(xù)加載至完全破壞時的累積非彈性變形量[4]。在停止加載期間,主受力單元消能段變形產(chǎn)生的熱量可以完全消散,結(jié)構(gòu)晶體重組,進(jìn)而提高支撐耗能能力。在持續(xù)加載過程中,消能段在變形過程中產(chǎn)生的熱量部分可以及時的消散,但是仍有部分熱量未能消散進(jìn)而可能會對支撐的耗能性能產(chǎn)生影響。

在實(shí)際地震大速率作用下,消能段變形其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不能夠及時消散出去時,屈曲約束支撐的性能可能不滿足規(guī)定要求達(dá)到抗震耗能的目的,且鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是在材料靜強(qiáng)度指標(biāo)下建立,所以采用鋼材的靜強(qiáng)度分析屈曲約束支撐的耗能存在一些弊端。文章針對大部分屈曲約束支撐使用的材料Q235鋼材,分析頻率效應(yīng)對鋼材效應(yīng)的影響。

四川大學(xué)王睿東[5]使用酒泉鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的250mm厚Q235低碳鋼材進(jìn)行了低周、超低周及高頻率試驗(yàn)疲勞行為進(jìn)行了研究。在常溫下使用島津電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低周疲勞測試,測試時應(yīng)變速率為0.005s^(-1),單項(xiàng)應(yīng)變幅值Δε分別取0.3%,0.4%,0.6%,0.7%和0.8%六組。同樣在常溫下采用微機(jī)控制高頻試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高頻試驗(yàn),在此過程中試件所受荷載為F=F0+Fasin(2πf), f為諧振頻率,F0為靜荷載,Fa為動荷載。

兩組的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,由于在高頻作用下,材料變形來不及響應(yīng)即時的應(yīng)力,每次加載時材料破壞程度也相對較小,材料的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有所提高。且從材料本身的組織結(jié)構(gòu)來看,由于不同的晶體結(jié)構(gòu)可動滑移的個數(shù)不同,應(yīng)變速率的變化導(dǎo)致位錯運(yùn)動和位錯結(jié)構(gòu)存在不同,應(yīng)變速率的增加,材料的屈服強(qiáng)度隨之增加,但是斷裂韌度下降。而材料的疲勞性能與斷裂韌度和屈服強(qiáng)度均相關(guān)。總體來說高頻率荷載作用下,材料的疲勞壽命也越長。

從兩組試驗(yàn)試件的斷口可知,低周試驗(yàn)中,裂紋由表面晶體錯位引起,高頻實(shí)驗(yàn)的破壞由內(nèi)部雜物引起的裂紋,但兩者的破壞表象均為疲勞破壞,因此加載頻率的不同對試件的破壞形式?jīng)]有影響。

3 結(jié)語

文章通過探討屈曲約束支撐的實(shí)際受力狀態(tài),對鋼材在不同頻率作用下的疲勞特性及破壞特性進(jìn)行分析,加載頻率的增加,材料的疲勞壽命有所提高,起破壞形式均為疲勞破壞。具體的破壞形式主要與材料本身和加載應(yīng)力、疲勞壽命有關(guān),與頻率沒有相關(guān)性。