宽厚比对新型屈曲约束支撑性能影响的试验研究

2020-12-17杨艳敏谢晓娟蔡天元孟祥琨

吉林建筑大学学报 2020年6期

熊瑛，杨艳敏*，谢晓娟，蔡天元，孟祥琨，王鹏

1吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118 2吉林省建筑科学研究设计院，长春 130011

屈曲约束支撑(Buckling-restrained brace,英文缩写为BRB)是一种新型耗能支撑,通过在普通支撑外围设置约束套筒,抑制其发生横向弯曲而不限制其纵向伸缩,从而实现支撑破坏时表现为全截面屈服[1].屈曲约束支撑具有较高的承载能力和耗能能力,兼具普通支撑和耗能构件的双重作用,既解决了普通支撑承载能力不足的问题,还能为结构提供一定的抗侧刚度,抵御风荷载和地震作用[2].

然而,传统的屈曲约束支撑大多以普通混凝土作为填充材料,存在自重大等问题,且大量研究表明,十字型屈曲约束支撑破坏通常发生在端部.针对这些问题,提出一种切削十字型屈曲约束支撑,填充材料采用轻骨料混凝土,以减轻支撑自重.通过切削工艺,将核心段削薄,既节省材料,还能使支撑的端部和核心部分几乎同时发生破坏.

为避免因截面尺寸突变而产生的应力集中,在连接段与核心段中间设计一个25°的斜坡.在切削十字型屈曲约束支撑的基础上,探究核心段宽厚比对支撑性能的影响.

1 试验方案设计

1.1 试件设计

设计核心段宽厚比分别为10和14的十字型屈曲约束支撑各一根,研究宽厚比对屈曲约束支撑性能的影响.因轻骨料混凝土具有轻质、高强等特点,采用LC 30轻骨料混凝土作为支撑填充材料,以达到减轻支撑自重的效果.所有支撑构造尺寸均一致,长为1 300 mm,外包钢套管长为950 mm,截面尺寸为100 mm×100 mm×2.5 mm.试件具体参数如表1所示,宽厚比为10和14的试件芯材如图1所示.

表1 试件编号及参数设计Table 1 Specimen number and parameter design

图1 试件芯材Fig.1 Specimen core materials

首先,利用切削工艺削弱芯材角钢的核心耗能段,连接段和耗能段通过25°的斜坡过渡,避免截面尺寸突变产生过大应力集中.采用两根等边热轧角钢对顶组合成十字型截面,屈服耗能段组合角钢通过段焊固定,连接段和过渡段浅焊,减小残余应力等问题的影响.过渡段粘贴聚苯乙烯泡沫,为承受荷载时提供压缩空间,然后在工作段、过渡段外涂刷厚度为0.5 mm的硅胶,以保证内核单元能沿轴向滑动,同时防止出现环箍效应.将芯材嵌入外包钢管后,在空隙中浇灌填充材料并进行养护,最终安装端板.

1.2 材料性能

对支撑的各部分材料进行性能试验,为之后计算和分析提供依据.钢材和轻骨料混凝土的力学性能如表2和表3所示.

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical properties of steel

表3 混凝土力学性能Table 3 Mechanical properties of concrete

1.3 加载装置

本次试验所用加载装置为吉林建筑大学结构实验室的PA-500型疲劳试验系统.设备最大试验力为±500 kN,行程位移为±50mm.加载装置示意图如图2所示,实际加载装置如图3所示.

图2 加载装置示意图Fig.2 Diagram of loading device(A 1～A 4用于测量试件轴向位移；A 5,A 6用于测量试件挠曲变形.)

图3 实际加载装置Fig.3 Actual loading device

位移计布置情况见图2,位移值取两组位移的平均值.根据《屈曲约束支撑结构技术规程》DB 34/T 5069-2017规定,加载采用位移控制法,以0.8mm/s的速率进行加载.位移幅值见表4.

表4 试验幅加荷值Table 4 Test amplitude loading

2 试验现象及失效模式

BRB-1的破坏形态如图4所示.

图4 BRB-1芯材破坏形态Fig.4 BRB-1 core failure mode

试验加载初期,由于端板与芯材之间缝隙较小,且端板较薄,试件受到拉压作用时,芯材与端板之间因摩擦而发出清脆的声响.随着加载不断进行,螺栓和螺栓孔之间产生“空程滑移”,试件两端位移计差值逐渐增大,但试件中部位移值保持不变.当加载到1/90的第13循环时,受拉位移达到最大值时,支撑轴力急剧减小,试验结束.

试件BRB-2的破坏形态如图5所示.加载前期现象与BRB-1相似,当加载到试件长度1/90的第6循环时,在压力作用下试件加载端连接段突然发生屈曲,试件失稳,中部位移值迅速增大,试验结束.

图5 BRB-2芯材破坏形态Fig.5 BRB-2 core failure mode

将外围方钢管切割开,发现试件BRB-1混凝土的各个部位都没有明显的破坏现象,BRB-2只有端部混凝土被挤碎,其他部位完好无损,说明两个试件轻骨料混凝土强度均满足要求.BRB-1试件芯材限位卡附近靠近加载端一侧被拉断,芯材连接段位置没有出现明显屈曲,而核心耗能段出现了多波屈曲现象.BRB-2试件芯材端部先达到极限承载力而破坏,且加载端屈曲现象更为明显,芯材过渡段钢材出现部分开裂.

对比两个试件的破坏过程,可以得到核心段宽厚比较大的试件,在支撑受压时连接段发生屈曲失稳而破坏；而核心段宽厚比较小的试件,在支撑受拉时核心耗能段发生断裂而破坏.试件中部位移值始终没有明显变化,说明外围约束抗弯强度满足要求,达到防屈曲的目的.

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

两个试件的滞回曲线如图6所示.

(a) BRB-1

BRB-1试件的滞回曲线非常饱满,屈曲平滑,无捏缩现象.位移为支撑长度1/90时,拉压循环次数较多,且每个循环曲线都重合较好,最终在1/90第13循环试件受拉位移达到最大时,支撑轴力迅速减小,约为最大拉力值的1/2.BRB-2试件滞回曲线比较饱满,屈曲平滑,无捏缩现象.试件由受压向受拉转化时,由于芯材与外围约束处于磨合阶段,在位移为零处曲线都存在较为明显的拐点；位移达到1/90第6循环时,在试件受压段支撑轴力急剧减小.

各试件均表现出良好的耗能能力.随着加载位移增加,屈曲约束支撑试件滞回环所包面积逐渐增大,进入塑性阶段后,试件开始发挥耗能作用.屈曲约束支撑芯材在同一位移下,随循环次数增加,试件承载力和刚度退化不明显.

3.2 耗能系数

对滞回曲线进行分析,可以得到各支撑试件的抗震参数,其中耗能系数是反映试件吸收地震能量能力的重要指标[3].经计算,各试件的耗能系数如图7所示.

图7 耗能系数Fig.7 Energy dissipation coefficient

随着加载位移增加,耗能系数呈增大趋势,说明随着位移增加,试件耗能能力稳步提升.在相同加载位移下,同一试件耗能系数非常接近,差值都在10 %以内.试件在较高的应变幅值下循环加载时,核心单元的弯曲残余变形随着循环次数的增加而逐渐增大,导致其屈服后刚度下降,从而造成耗能系数有所下降,故在1/90位移加载下,随着循环次数的增加,耗能系数呈现减小趋势,但减少幅度较小,对支撑的耗能能力影响不大.

试件BRB-1的耗能系数相对较大,当加载到试件长度1/90时,其耗能系数最大值达到3.34,相较于试件BRB-2的3.16提高5.7 %,体现出更好的耗能能力.

3.3 累积塑性变形

此外,屈曲约束支撑的累积塑性变形能力是评价其抗震性能的关键指标,作为结构的耗能构件,屈曲约束支撑变形能力越强,说明其持续耗散外部输入能量的能力越强.经计算,试件的累积塑性变形见表5.

表5 试件累积塑性变形Table 5 The specimen underwent cumulative plastic deformation

美国设计规范《Seismic Provisions for Structural Steel Buildings》[4]依据Sabelli等[5]人的研究结果,将设计基准地震动(DBE)下钢框架结构中屈曲约束支撑的累积塑形变形需求规定为200,各试件均满足规范要求.由于核心段宽厚比为10的试件最后一级加载循环次数大约为核心段宽厚比为14试件的2倍,故其累积塑性变形值较大,塑性变形能力更好.试件BRB-1的累积塑性变形大约为试件BRB-2的1.43倍.