填充材料为轻骨料的新型屈曲约束支撑耗能机制研究

孟祥琨，杨艳敏*，谢晓娟

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

0 引言

屈曲约束支撑由核心单元和屈曲约束单元构成.角钢组成核心受力单元,直接承受结构轴向荷载，通过自身屈服耗散地震能量;钢管或钢筋混凝土,砂浆或细石混凝土等组成屈曲约束单元,不承受轴向荷载,只起防止核心约束单元偏心屈曲的作用,使核心单元在轴向力作用下发生全截面屈服,从而提高构件的减震耗能能力[1].核心单元作为主要的耗能段,传统的屈曲约束支撑大多以普通细石混凝土作为填充材料,由于容重较大导致支撑自重大.而轻骨料混凝土具有轻质高强,保温隔热性好且环保等优点,是具有良好应用前景的绿色建筑材料[2-3],应用于新型屈曲约束支撑中能够有效解决结构自重的问题.本试验提出一种新型屈曲约束支撑,截面采用十字型,角钢采用切削工艺加工.制作两组试件:分别用轻骨料混凝土和普通细石混凝土作为其填充材料,进行拟静力试验,得到两种不同的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、拉压不均匀性和耗能能力，并加以分析,为实际工程施工与设计研发提供理论依据.

1 试验方案设计

1.1 材料参数设计

试验角钢和约束单元方钢管采用Q 235型钢材,根据钢材的拉伸试验得出试验所用钢材力学性能见表1.混凝土参数根据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB·T 50081-2016)通过抗压强度测试和弹性模量测试,得到试验细石混凝土以及轻骨料混凝土参数见表2.

表1 钢材力学性能

表2 混凝土力学性能

1.2 试件设计

本试验设计的屈曲约束支撑截面采用十字型如图1所示.为减小焊接遗留下来的残余应力,保证变形稳定,试件骨架部分用两角钢煅焊连接.为增加试件的几何精度、尺寸精度和表面质量,角钢采用切削工艺加工,在结构连接段和耗能段设16°斜角过度,用冲击钻在试件连接段钻制17 mm的螺栓孔如图2所示.

图1 试件截面

图2 端部螺栓孔

通过设置无粘结材料层或空气压缩层的方法,大幅削弱芯材与外围约束机制之间的附加约束力,使得芯材在外围约束机制间轻松的滑动,实现芯材屈服段的轴力均匀分布[4];在试件过渡段粘贴泡沫材料.核心耗能段采用煅焊连接并涂抹0.5 mm厚硅胶,待干透后将角钢置于全封闭式钢管内,用全钢连接板相连,用不同混凝土填充材料填充如图3所示,本试验设置一组试验变量试件设计见表3.

表3 试件设计

图3 试件总体图

1.3 试验加荷方案设计

为试件安装方便,上下连接器采用角钢与试件契合,并选用M 16高强螺栓和加载装置的法兰盘衔接如图4所示.加载装置采用PA-500型疲劳试验系统进行加载如图5所示,设备最大试验力为±500 kN,行程位移为±50 mm.输出位移包括螺栓与螺孔的空程滑移,支撑变形位移,检测装置采用东华采集系统D 5929与DH 3818采集支撑的轴向位移,位移计布置如图6所示.参照《屈曲约束支撑结构技术规程》(DB34/T 5069-2017)规定,采用加载位移的方法以0.8 mm/s速率进行加载.

(a)上连接器

图5 实体连接

图6 位移计布置图

2 试验结果及分析

整组试验在吉林建筑大学土木工程学院试验室进行,试验结束后用机械角磨机将外层约束钢管切开,观察里层包裹的混凝土破坏情况,两试件破坏机制见表4.

表4 试件试验现象

试验结束后，将两试件外层约束方钢管切开,内部混凝土只有端部发生破坏,其他部位无明显破坏现象,核心单元填充的不同种类混凝土均满足强度要求.两试件受到较大反复荷载作用,加载端达到极限承载力而发生破坏,均有不同程度的屈曲变形.CU-1填充材料为轻骨料混凝土的试件,加载端屈曲程度与固定端挠曲变形程度,相较CU-2填充材料为细石混凝土的试件轻.

(a)总体破坏

(a)总体破坏

3 试验结果分析

3.1 骨架曲线分析

试件滞回曲线(如图9所示)曲线均比较饱满,平滑,无捏缩现象.加载初期芯材与外围约束存在明显磨合阶段,加载由拉力变为压力时有明显的拐点.轻骨料混凝土为填充材料的试件轴力变化较为均匀.

(a)CU-1试件滞回曲线

提取同方向拉力生成骨架曲线如图10所示,两试件的填充材料均满足防屈曲支撑构件规定要求,CU-1的骨架曲线相比有较明显的尖点.

图10 骨架曲线

由文献[5]轻骨料混凝土弹性模量大约仅为普通细石混凝土的2/3,变形能力更好，对核心填充材料的套箍作用较小,故轻骨料混凝土作为试件填充材料优势较明显.

3.2 拉压不均匀系数分析

试件的泊松效应,当受力单元受压时,其截面面积会增大从而内测边与外围约束构件接触,接触面上的摩擦力会有所提升；当受拉时,其截面面积会减小而与约束单元分离,这会导致屈曲约束支撑受力存在不均匀特性.屈曲约束支撑的拉压不均匀系数越大,核心单元与约束单元之间的摩擦效应越显著,对支撑节点的设计越不利.

试件不均匀系数曲线如图11所示，两试件的拉压不均系数曲线发展趋势一致,随着位移增加,试件受压时核心单元会出现多波屈曲，核心单元与约束单元摩擦力增加,拉压不均匀系数增大.而轻骨料混凝土弹性模量较小,变形能力更好,套箍作用小,轻骨料为核心单元填充材料的试件拉压不均匀系数较小.

图11 拉压不均匀系数

3.3 耗能系数

耗能系数是反映试件吸收地震能量的重要指标[6],由试验滞回曲线闭合环面积得出试件耗能系数曲线如图12所示.各试件耗能系数曲线随着加载位移增加呈递增趋势,说明随着位移增加,各试件耗能能力逐步提升.两试件耗能系数集中于2.0～3.5,说明细石混凝土和轻骨料混凝土均有较好的耗能能力及恢复力.但在实际情况下，轻骨料混凝土对芯材套箍作用较小,则轻骨料混凝土其核心单元填充材料更好.

图12 耗能系数

4 结论

通过本文试验研究,对屈曲约束支撑不同填充材料的抗震性能影响进行对比试验,得出以下结论:

(1)本试验用到的新型切削工艺满足屈曲约束支撑实际应用的可行性.滞回曲线饱满屈曲平滑,无捏缩现象，由骨架约束曲线可看出,轻骨料混凝土作为新型屈曲约束支撑填充材料轴力大,有很好的下降段.

(2)两试件的耗能系数集中于2.0～3.5,有较好的耗能能力和恢复力.拉压不均匀系数具有相同上升趋势，但轻骨料为填充材料的试件核心单元与约束单元之间的摩擦效应相对较轻,具有很好的抗震性能.

(3)以轻骨料混凝土作为填充材料的屈曲约束支撑,各项性能参数均满足规范要求,轻骨料混凝土试件质量较普通混凝土试件降低23.4 %,接近试件质量的1/4,轻骨料混凝土作为填充材料可有效减小屈曲约束支撑的质量，且可以降低成本,同时在试验中体现出与普通细石混凝土相比有较好的抗疲劳特性,具有较高的应用价值.