长行程屈曲约束支撑拟静力试验

2021-07-20蔡汶秀金郑禄

科学技术与工程 2021年17期

胡俊，蔡汶秀，郑罡，金郑禄

(重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074)

随着桥梁抗震设计的不断发展，除主体结构本身抗震以外，减隔震装置逐步成为抵御地震的新趋势[1]。屈曲约束支撑可以利用滞回效应稳定、耗能强等特点作为减隔震装置进行减震耗能。屈曲约束支撑(buckling restrained brace, BRB)是一种兼具金属阻尼器和普通支撑双重作用的新型支撑。屈曲约束支撑由3部分组成，分别为芯材、套筒和无黏结材料或者间隙。芯材端部与加劲肋和端板采用焊缝连接以增加其平面刚度。芯材承受轴向拉压力，外包约束套筒及填充材料主要为芯材件提供侧向约束，当轴力超过芯材屈服强度后，由于平面外屈曲被外包约束套筒限制，芯材发生屈服而不屈曲，具有滞回效应稳定、耗能强等优点[2-3]。

目前，中外研究人员对屈曲约束支撑进行了大量研究。1995年日本神户地震之后，屈曲约束支撑在日本被大量使用[4]。

Fujimoto等[5]对芯材和钢套管间填充砂浆的屈曲约束支撑进行研究，通过不同钢管尺寸的试验研究得到了钢套管的刚度和强度设计准则。1994年北岭地震之后，美国开始对屈曲约束支撑进行理论研究并投入工程使用。

Black等[6]对屈曲约束支撑的整体屈曲约束进行稳定分析，对芯材在高阶模态屈曲行为和弹塑性扭转弯曲问题进行研究，用Bouc-Wen模型进行模拟分析表明阻尼器最容易发生扭转弯曲，且塑性变形能力很大。后来中国也对屈曲约束支撑开展了一系列理论分析和试验研究，并取得了一系列进展。欧进萍等[7]对屈曲约束支撑的抗震性能及子结构实验方法及屈曲钢支撑阻尼器进行研究。周云等[8]提出核心单元局部削弱和定点屈服的概念，并设计出开孔式三重钢管BRB进行有限元模拟和滞回性能试验研究。李国强等[9]采用宝钢BLY22低屈服点钢研制了TJ型屈曲约束支撑，发现该类型屈曲约束支撑有良好的低周疲劳性能，并在上海虹桥枢纽工程中使用。杨璐等[10]选用LY315钢材作为支撑内核材料，设计一种全钢型装配式屈曲约束支撑，试验表明其有良好的低周疲劳性能。杜志强等[11]提出一种新型屈曲约束支撑消能器，屈服核心是标准组件式由若干个受剪基本消能单元组成，主要的屈服形式为受剪屈服。贺强等[12]研究在高烈度设防设防区带屈曲约束支撑的扭转不规则框架结构抗震性能。王占飞等[13]分别采用普通钢撑和屈曲约束支撑的两种钢桁架拱桥进行了罕遇地震下的非线性动力时程分析。Shi等[14]基于“保险丝”的设计理念，将屈曲约束支撑放入桥梁中，研究其抗震性能。

尽管屈曲约束支撑在建筑工程中有了相关的研究，但在桥梁工程的应用较少，主要是由于桥梁抗震变形要求更大，因此需要对屈曲约束支撑加大屈服长度，提高耗能能力[2]。现提出一种长行程屈曲约束支撑，采用一字型Q235芯材的长行程屈曲约束支撑进行了拟静力试验研究,分析其抗震性能。研究结果可为发展桥梁工程的屈曲约束支撑抗震分析打下基础。

1 试验方案

1.1 试件设计

共进行了2组长行程屈曲约束支撑的滞回性能试验，试件编号分别为BRB1和BRB2。该试验为足尺试验，表1和图1为长行程屈曲约束支撑的主要几何参数和示意图。外部套筒采用200 mm×5 mm的方形钢管，BRB顺向放置于钢管处。主要变化参数为有效屈服长度比K。长行程屈曲约束支撑试件的主要材料性能指标如表2所示。

表1 长行程BRB设计参数

图1 芯材几何尺寸示意图

表2 长行程BRB材性指标

1.2 加载方案

试验加载装置如图2所示，由液压油缸、定向约束支座、传感器等组成。将屈曲约束支撑一端用定向约束支座固定，另一端为加载端，液压千斤顶与传感器相连。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的要求，加载阶段分为两个阶段：弹性加载阶段和塑性加载阶段。弹性加载阶段以0.2 mm/s的加载速度加载至1.4 mm并循环5周。塑性加载阶段的加载速率为10 mm/min，依次在L/300、L/200、L/150和L/100的位移幅值作用下循环3周，加载制度如表3所示。

图2 加载装置图

表3 加载制度

1.3 测点布置

如图2(b)所示，试验中主要记录试件的轴向位移和轴向荷载。轴向荷载可通过力传感器输出，位移可由位移传感器输出，最终得到总体位移。

2 试验结果与分析

2.1 破坏状态

长行程BRB试件典型破坏模式如图3所示。图3(a)为端部破坏模式，由于端板焊有加劲肋，产生了较多的扩展裂缝，以斜裂缝为主，其表面有部分脱落现象；图3(b)为在加载过程中伴随着混凝土的开裂、剥落混凝土的破坏现象；图3(c)为移除套筒后一字型钢板的破坏现象，由于套筒的约束作用，使钢板屈服而不屈曲，钢管仅略微鼓曲，整体性能良好。

图3 长行程BRB试件典型破坏模式

2.2 滞回曲线

图4所示为各试件的荷载(F)-位移(Δ)滞回曲线，荷载以受拉为正，受压为负。试件的滞回曲线均为典型的梭形，稳定、饱满，具有正的增量刚度。在试件破坏前都没有发生局部或整体屈曲。滞回曲线饱满且未出现强度下降段，能够充分发挥其耗能作用。

图4 滞回曲线

在整个加载过程中，滞回曲线变化率很小，未出现捏缩现象。BRB2试件比BRB1试件形状更饱满，且在加载第二圈时BRB1的拉压不均匀系数(滞回曲线中拉力最大值与压力最大值之比值)较大。综上所述，随BRB有效屈服长度比增大，滞回性能更好。

2.3 骨架曲线

骨架曲线是以各位移水平下首次循环加载的峰值点连接的曲线。如图5所示，试件BRB1和BRB2骨架曲线表现出明显的双线性，且最后一级第3次循环的承载力高于历经最大承载力的85%。

从西部地区信息经济的整体上看，三个梯队层次分明，在各个层次上，四川省、重庆市和陕西省基本上都处在前三甲的位置，优势十分明显，西藏自治区和青海省基本上都处于下游位置，随着层次的上升，劣势也愈发明显，处于中间层次的7个省(市、区)基本上都在中游的位置，有时也出现垫底的情况。

图5 荷载-位移骨架曲线

BRB屈服后，骨架曲线出现明显拐点，但承载力仍有较大的提高。正向加载时，BRB1和BRB2的极限承载力分别为1 602.74 kN和1 650.19 kN，负向加载时，BRB1和BRB2的极限承载力分别为-1 253.11 kN和-1 437.13 kN。因此，有效屈服长度比对极限承载力影响较大。

2.4 延性系数

延性系数可按式(1)计算。

(1)

式(1)中：Δu为骨架曲线的屈服位移；Δy为极限位移。

屈服位移和极限位移可通过屈服弯矩法[15]得到。如图6所示，首先作原点切线与承载力峰值点C对应的水平线交于点E，作点E垂线与骨架曲线交于点A，OA延长线与峰值点的水平线交于点F，作点F垂线与骨架曲线交于点B，B点位移即为屈服位移Δy。极限位移取Δu骨架曲线承载力峰值点C的85%时对应的位移。

图6 屈服位移计算

如表4所示，BRB1的屈服位移和极限位移与BRB2相差较大，BRB2的位移延性系数为BRB1的1.14倍。长行程BRB都具有较好的延性，适当增加BRB有效屈服长度比，延性更好。

表4 位移延性

2.5 耗能能力

等效黏滞阻尼系数ζe和能量耗散系数E是建筑结构抗震设计的主要参数。采用等效黏滞阻尼系数ζe和能量耗散系数E来评估BRB的能量耗散能力。等效黏滞阻尼系数ζe和能量耗散系数E表达式分别如式(2)和式(3)所示。

(2)

E=2πζe

(3)

图7 等效黏滞阻尼系数和能量耗散系数

由表5可知，试件BRB2的等效黏滞阻尼系数ζe、能量耗散系数E和总耗能面积均大于BRB1。且BRB2的总耗能分别是BRB1的149%。适当增加BRB试件的有效屈服长度比，有更好的耗能能力。

表5 能量消耗参数

图8为等效黏滞阻尼系数ζe与加载位移Δ/Δy的变化关系曲线。由图8可知，在试件BRB1和BRB2中，当5<Δ/Δy<6时，等效黏滞阻尼系数ζe随加载位移的增大而减小，当Δ/Δy≥6和Δ/Δy≤5时，等效黏滞阻尼系数ζe随加载位移的增大而增大。试件破坏时等效黏滞阻尼系数ζe介于0.403～0.508，而良好的弹塑性材料定义等效黏滞阻尼系数ζe上限为0.637，说明BRB在屈服后具有良好的抗震性能。试件BRB1的ζe范围为0.203 5～0.413；试件BRB2的ζe范围为0.111～0.508。观察曲线趋势，BRB2的增长幅度远大于BRB1。

图8 等效黏滞阻尼比与加载位移关系图

2.6 刚度退化

用割线刚度来表示试件BRB的刚度，割线刚度Ki按式(4)计算。

(4)

式(4)中：+Fi、-Fi分别为第i次正向、反向峰值点的荷载值；+Xi、-Xi分别为第i次正向、反向峰值点的位移值。

图9所示为割线刚度随位移变化曲线，如图9所示，试件BRB1先快速下降，后略微上升，再逐步趋于平稳；试件BRB2先快速下降后逐步趋于平稳。当Δ/Δy≤3时，所有试件快速下降；当Δ/Δy≥3时，所有试件缓慢下降。总体上，试件BRB1的初始刚度、破坏刚度都大于试件BRB2。试件BRB1的破坏刚度约为初始刚度的19.7%；试件BRB2的破坏刚度约为初始刚度的9.1%。

图9 割线刚度曲线

2.7 强度退化

长行程屈曲约束支撑的强度退化用强度退化系数λi来表示，可按式(5)计算。

(5)

式(5)中：+Fji为第j级加载位移(j=Δ/Δy)时，第i次循环峰值点的荷载值；+Fji-1为第j级加载位移(j=Δ/Δy)时，第i-1次循环峰值点的荷载值。

如图10所示，用所有试件的强度退化系数随加载级数变化的情况来反映长行程屈曲约束支撑的承载力随循环次数增加的变化情况。

BRB1-E和BRB2-E为长行程屈曲约束支撑试件的正向伸长(elongation)；BRB1-S和BRB2-S为长行程屈曲约束支撑试件的反向压缩(shorten)

由图10可知，试件BRB1和BRB2的正负向强度非常稳定。说明长行程屈曲约束支撑在低周往复循环荷载作用下，强度退化强度较小，具有良好的工作性能。在位移值20～30 mm，试件的第二次循环荷载值与第一次循环荷载值相比，明显下降。BRB1的正负向剩余承载力分别为最大荷载承载力的89.5%和88.7%；BRB2的正负向剩余承载力分别为最大荷载承载力的90.2%和90.1%。长行程屈曲约束支撑具有较好的剩余承载力，适当增加长行程屈曲约束支撑的有效屈服长度比可以有效提高强度退化稳定性。