孟祥琨，楊艷敏*，謝曉娟

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

0 引言

屈曲約束支撐由核心單元和屈曲約束單元構(gòu)成.角鋼組成核心受力單元,直接承受結(jié)構(gòu)軸向荷載，通過自身屈服耗散地震能量;鋼管或鋼筋混凝土,砂漿或細(xì)石混凝土等組成屈曲約束單元,不承受軸向荷載,只起防止核心約束單元偏心屈曲的作用,使核心單元在軸向力作用下發(fā)生全截面屈服,從而提高構(gòu)件的減震耗能能力[1].核心單元作為主要的耗能段,傳統(tǒng)的屈曲約束支撐大多以普通細(xì)石混凝土作為填充材料,由于容重較大導(dǎo)致支撐自重大.而輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng),保溫隔熱性好且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是具有良好應(yīng)用前景的綠色建筑材料[2-3],應(yīng)用于新型屈曲約束支撐中能夠有效解決結(jié)構(gòu)自重的問題.本試驗提出一種新型屈曲約束支撐,截面采用十字型,角鋼采用切削工藝加工.制作兩組試件:分別用輕骨料混凝土和普通細(xì)石混凝土作為其填充材料,進(jìn)行擬靜力試驗,得到兩種不同的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、拉壓不均勻性和耗能能力，并加以分析,為實際工程施工與設(shè)計研發(fā)提供理論依據(jù).

1 試驗方案設(shè)計

1.1 材料參數(shù)設(shè)計

試驗角鋼和約束單元方鋼管采用Q 235型鋼材,根據(jù)鋼材的拉伸試驗得出試驗所用鋼材力學(xué)性能見表1.混凝土參數(shù)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB·T 50081-2016)通過抗壓強(qiáng)度測試和彈性模量測試,得到試驗細(xì)石混凝土以及輕骨料混凝土參數(shù)見表2.

表1 鋼材力學(xué)性能

表2 混凝土力學(xué)性能

1.2 試件設(shè)計

本試驗設(shè)計的屈曲約束支撐截面采用十字型如圖1所示.為減小焊接遺留下來的殘余應(yīng)力,保證變形穩(wěn)定,試件骨架部分用兩角鋼煅焊連接.為增加試件的幾何精度、尺寸精度和表面質(zhì)量,角鋼采用切削工藝加工,在結(jié)構(gòu)連接段和耗能段設(shè)16°斜角過度,用沖擊鉆在試件連接段鉆制17 mm的螺栓孔如圖2所示.

圖1 試件截面

圖2 端部螺栓孔

通過設(shè)置無粘結(jié)材料層或空氣壓縮層的方法,大幅削弱芯材與外圍約束機(jī)制之間的附加約束力,使得芯材在外圍約束機(jī)制間輕松的滑動,實現(xiàn)芯材屈服段的軸力均勻分布[4];在試件過渡段粘貼泡沫材料.核心耗能段采用煅焊連接并涂抹0.5 mm厚硅膠,待干透后將角鋼置于全封閉式鋼管內(nèi),用全鋼連接板相連,用不同混凝土填充材料填充如圖3所示,本試驗設(shè)置一組試驗變量試件設(shè)計見表3.

表3 試件設(shè)計

圖3 試件總體圖

1.3 試驗加荷方案設(shè)計

為試件安裝方便,上下連接器采用角鋼與試件契合,并選用M 16高強(qiáng)螺栓和加載裝置的法蘭盤銜接如圖4所示.加載裝置采用PA-500型疲勞試驗系統(tǒng)進(jìn)行加載如圖5所示,設(shè)備最大試驗力為±500 kN,行程位移為±50 mm.輸出位移包括螺栓與螺孔的空程滑移,支撐變形位移,檢測裝置采用東華采集系統(tǒng)D 5929與DH 3818采集支撐的軸向位移,位移計布置如圖6所示.參照《屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DB34/T 5069-2017)規(guī)定,采用加載位移的方法以0.8 mm/s速率進(jìn)行加載.

(a)上連接器

圖5 實體連接

圖6 位移計布置圖

2 試驗結(jié)果及分析

整組試驗在吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院試驗室進(jìn)行,試驗結(jié)束后用機(jī)械角磨機(jī)將外層約束鋼管切開,觀察里層包裹的混凝土破壞情況,兩試件破壞機(jī)制見表4.

表4 試件試驗現(xiàn)象

試驗結(jié)束后，將兩試件外層約束方鋼管切開,內(nèi)部混凝土只有端部發(fā)生破壞,其他部位無明顯破壞現(xiàn)象,核心單元填充的不同種類混凝土均滿足強(qiáng)度要求.兩試件受到較大反復(fù)荷載作用,加載端達(dá)到極限承載力而發(fā)生破壞,均有不同程度的屈曲變形.CU-1填充材料為輕骨料混凝土的試件,加載端屈曲程度與固定端撓曲變形程度,相較CU-2填充材料為細(xì)石混凝土的試件輕.

(a)總體破壞

(a)總體破壞

3 試驗結(jié)果分析

3.1 骨架曲線分析

試件滯回曲線(如圖9所示)曲線均比較飽滿,平滑,無捏縮現(xiàn)象.加載初期芯材與外圍約束存在明顯磨合階段,加載由拉力變?yōu)閴毫r有明顯的拐點(diǎn).輕骨料混凝土為填充材料的試件軸力變化較為均勻.

(a)CU-1試件滯回曲線

提取同方向拉力生成骨架曲線如圖10所示,兩試件的填充材料均滿足防屈曲支撐構(gòu)件規(guī)定要求,CU-1的骨架曲線相比有較明顯的尖點(diǎn).

圖10 骨架曲線

由文獻(xiàn)[5]輕骨料混凝土彈性模量大約僅為普通細(xì)石混凝土的2/3,變形能力更好，對核心填充材料的套箍作用較小,故輕骨料混凝土作為試件填充材料優(yōu)勢較明顯.

3.2 拉壓不均勻系數(shù)分析

試件的泊松效應(yīng),當(dāng)受力單元受壓時,其截面面積會增大從而內(nèi)測邊與外圍約束構(gòu)件接觸,接觸面上的摩擦力會有所提升；當(dāng)受拉時,其截面面積會減小而與約束單元分離,這會導(dǎo)致屈曲約束支撐受力存在不均勻特性.屈曲約束支撐的拉壓不均勻系數(shù)越大,核心單元與約束單元之間的摩擦效應(yīng)越顯著,對支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計越不利.

試件不均勻系數(shù)曲線如圖11所示，兩試件的拉壓不均系數(shù)曲線發(fā)展趨勢一致,隨著位移增加,試件受壓時核心單元會出現(xiàn)多波屈曲，核心單元與約束單元摩擦力增加,拉壓不均勻系數(shù)增大.而輕骨料混凝土彈性模量較小,變形能力更好,套箍作用小,輕骨料為核心單元填充材料的試件拉壓不均勻系數(shù)較小.

圖11 拉壓不均勻系數(shù)

3.3 耗能系數(shù)

耗能系數(shù)是反映試件吸收地震能量的重要指標(biāo)[6],由試驗滯回曲線閉合環(huán)面積得出試件耗能系數(shù)曲線如圖12所示.各試件耗能系數(shù)曲線隨著加載位移增加呈遞增趨勢,說明隨著位移增加,各試件耗能能力逐步提升.兩試件耗能系數(shù)集中于2.0～3.5,說明細(xì)石混凝土和輕骨料混凝土均有較好的耗能能力及恢復(fù)力.但在實際情況下，輕骨料混凝土對芯材套箍作用較小,則輕骨料混凝土其核心單元填充材料更好.

圖12 耗能系數(shù)

4 結(jié)論

通過本文試驗研究,對屈曲約束支撐不同填充材料的抗震性能影響進(jìn)行對比試驗,得出以下結(jié)論:

(1)本試驗用到的新型切削工藝滿足屈曲約束支撐實際應(yīng)用的可行性.滯回曲線飽滿屈曲平滑,無捏縮現(xiàn)象，由骨架約束曲線可看出,輕骨料混凝土作為新型屈曲約束支撐填充材料軸力大,有很好的下降段.

(2)兩試件的耗能系數(shù)集中于2.0～3.5,有較好的耗能能力和恢復(fù)力.拉壓不均勻系數(shù)具有相同上升趨勢，但輕骨料為填充材料的試件核心單元與約束單元之間的摩擦效應(yīng)相對較輕,具有很好的抗震性能.

(3)以輕骨料混凝土作為填充材料的屈曲約束支撐,各項性能參數(shù)均滿足規(guī)范要求,輕骨料混凝土試件質(zhì)量較普通混凝土試件降低23.4 %,接近試件質(zhì)量的1/4,輕骨料混凝土作為填充材料可有效減小屈曲約束支撐的質(zhì)量，且可以降低成本,同時在試驗中體現(xiàn)出與普通細(xì)石混凝土相比有較好的抗疲勞特性,具有較高的應(yīng)用價值.