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,長春 130118 2吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，長春 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,從而實現(xiàn)支撐破壞時表現(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.針對這些問題,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)計一個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支撐性能的影響.

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計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)、高強等特點,采用LC 30輕骨料混凝土作為支撐填充材料,以達到減輕支撐自重的效果.所有支撐構(gòu)造尺寸均一致,長為1 300 mm,外包鋼套管長為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 試件編號及參數(shù)設(shè)計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25°的斜坡過渡,避免截面尺寸突變產(chǎn)生過大應(yīng)力集中.采用兩根等邊熱軋角鋼對頂組合成十字型截面,屈服耗能段組合角鋼通過段焊固定,連接段和過渡段淺焊,減小殘余應(yīng)力等問題的影響.過渡段粘貼聚苯乙烯泡沫,為承受荷載時提供壓縮空間,然后在工作段、過渡段外涂刷厚度為0.5 mm的硅膠,以保證內(nèi)核單元能沿軸向滑動,同時防止出現(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行養(yǎng)護,最終安裝端板.

1.2 材料性能

對支撐的各部分材料進行性能試驗,為之后計算和分析提供依據(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

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

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

圖3 實際加載裝置Fig.3 Actual loading device

位移計布置情況見圖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的速率進行加載.位移幅值見表4.

表4 試驗幅加荷值Table 4 Test amplitude loading

2 試驗現(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,芯材與端板之間因摩擦而發(fā)出清脆的聲響.隨著加載不斷進行,螺栓和螺栓孔之間產(chǎn)生“空程滑移”,試件兩端位移計差值逐漸增大,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,受拉位移達到最大值時,支撐軸力急劇減小,試驗結(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)加載到試件長度1/90的第6循環(huán)時,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混凝土的各個部位都沒有明顯的破壞現(xiàn)象,BRB-2只有端部混凝土被擠碎,其他部位完好無損,說明兩個試件輕骨料混凝土強度均滿足要求.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,芯材過渡段鋼材出現(xiàn)部分開裂.

對比兩個試件的破壞過程,可以得到核心段寬厚比較大的試件,在支撐受壓時連接段發(fā)生屈曲失穩(wěn)而破壞；而核心段寬厚比較小的試件,在支撐受拉時核心耗能段發(fā)生斷裂而破壞.試件中部位移值始終沒有明顯變化,說明外圍約束抗彎強度滿足要求,達到防屈曲的目的.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

兩個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,無捏縮現(xiàn)象.位移為支撐長度1/90時,拉壓循環(huán)次數(shù)較多,且每個循環(huán)曲線都重合較好,最終在1/90第13循環(huán)試件受拉位移達到最大時,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,無捏縮現(xiàn)象.試件由受壓向受拉轉(zhuǎn)化時,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；位移達到1/90第6循環(huán)時,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)

對滯回曲線進行分析,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,說明隨著位移增加,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,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,但減少幅度較小,對支撐的耗能能力影響不大.

試件BRB-1的耗能系數(shù)相對較大,當(dāng)加載到試件長度1/90時,其耗能系數(shù)最大值達到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價其抗震性能的關(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,說明其持續(xù)耗散外部輸入能量的能力越強.經(jīng)計算,試件的累積塑性變形見表5.

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

美國設(shè)計規(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)計基準(zhǔn)地震動(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

通過對不同寬厚比的切削十字型屈曲約束支撐試件進行低周拉壓循環(huán)試驗,對破壞形態(tài)和地震參數(shù)進行對比分析,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,同時避免支撐端部過早發(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,且造價低廉,構(gòu)造簡單.