负泊松比结构在耗能减振构件中的应用前景

2024-03-15张彬张博涛刘江文

城市建设理论研究（电子版） 2024年7期

张彬张博涛刘江文

武汉理工大学湖北武汉 430000

从长远来看，地震、海啸和台风等自然灾害都对建筑的施工、运营和养护等阶段产生不利影响。特别是地震会严重威胁建筑物的稳定性。根据全球灾害数据平台显示，中国近一年灾害频次位列全球第六，自然灾害已对国家发展造成严重影响。因此，对建筑结构减振系统的研究势在必行。

防屈曲支撑作为一种常用的耗能减震构件[1]，能够通过内核钢芯的滞回变形消耗地震能量，从而保护建筑物的稳定；负泊松比材料由于其多孔的内部构造，使其具有吸能隔振的优点，可有效降低冲击力。本文对防屈曲支撑以及负泊松比材料的研究与应用进行论述，并对负泊松比材料在防屈曲支撑中的应用提出一种实施方式。

1 防屈曲支撑的应用

1.1 工作原理

防屈曲支撑构件一般由耗能核心层、约束层和无粘结材料组成。耗能核心层与外部结构连接，直接承担外部荷载，受轴向力作用；它在正常使用状态下，处于弹性阶段，增大结构的刚度；在地震作用和极端荷载作用下，耗能核心层进入塑性阶段，通过塑性变形消耗部分地震能量，提高结构的抗震能力。约束层约束耗能核心层变形，使其尽量仅发生轴向变形，防止其发生整体屈曲，甚至帮助耗能核心层形成多段屈服，使其通过屈服耗能而不会失稳破坏；耗能核心层应具有足够的抗弯能力，它与耗能核心层之间由无粘结材料填充，以消除两者之间的摩檫力，使得耗能核心层能够自由伸缩，并避免受到过大的轴向力。

1.2 钢管混凝土防屈曲支撑

20世纪60年代，关于钢管混凝土防屈曲支撑的理论与应用开始出现，是世界上最早的一种实用型防屈曲支撑。其设计原理与钢管混凝土柱相似，其外部约束单元能对耗能核心构件提供更好的约束作用，使其长期保持良好的滞回耗能性能。其核心耗能构件的截面形式可以为一字型以及十字形等，研究表明十字形核心芯板构件与混凝土的间隙可取1-2mm，中间填充无粘结材料减少两者的摩檫力[2]。

1.3 双钢管、三重钢管防屈曲支撑

在钢管混凝土防屈曲支撑的基础上，双钢管以及三重钢管防屈曲支撑的研究也逐渐得到广泛应用。其特点是耗能构件与约束构件均为钢管，外部约束钢管抵抗核心构件的弯曲，由于双钢管组合约束形式具有更好的约束能力，可有效防止耗能核心层屈曲，具有良好的耗能性能与力学性能[3]。研究表明内芯与内圆钢管之间的间隙可为 1-4mm ，避免产生多波屈曲和局部失稳现象，支撑的承载能力随着内芯宽厚比的增大而减小，支撑的的力学性能也随着约束比的增大趋于稳定。同时内部无需填充混凝土，大幅度降低构件自重，实现构件的轻量化。

1.4 装配式防屈曲支撑

为进一步满足现代建筑抗震的需求，以及响应“双碳”战略和建筑工业化的要求，相关学者提出装配式防屈曲支撑，主要使用型钢与钢板进行组合，使用螺栓将防屈曲支撑的外部约束单元连接成一体，消除了混凝土浇筑与养护所带来的问题。与传统的防屈曲支撑构件相比，具有便于运输、可现场组装、便于拆卸的优点，可实现构件损坏后的修复与更换。此外使用铝合金等金属材料，还可以提高构件的耐腐蚀性，适用于海洋等耐腐蚀要求较高的工程。但是由于螺栓孔的削弱作用，连接部位的截面尺寸应相应增大；同时应重视焊接残余应力造成的影响。

1.5 新型防屈曲支撑

纤维复合增强材料（FRP）在工程中已有较为广泛的应用，主要应用于构件的加固，具有耐腐蚀、轻质高强等优点。在防屈曲支撑构件中使用纤维复合增强材料，可以大幅降低构件的自重，减少钢材和混凝土的使用，利于节约资源。

2020年，孙洪鹏提出一种新型GFRP管防屈曲支撑，并通过试验与理论结合的方式，研究得出GFRP具有较高的环向强度，能够有效约束核心耗能构件，防止局部屈曲，并展现出优越的耗能能力。

2023年，谯鸿程提出一种三管式GFRP-铝合金防屈曲支撑，核心耗能构件为铝合金管，内外约束构件采用GFRP缠绕管，通过实验与理论结合的方式，研究得出该新型GFRP-铝合金防屈曲支撑具有饱满的滞回曲线，抗震效果良好，降低了结构30%-45%的层间位移角，有利于维持结构的稳定性。

2 负泊松比材料的研究与应用

2.1 材料特性

相比现在常用的材料，负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，其在受拉时膨胀，受压时收缩，即“拉胀”效应。如图1所示，其最具代表性的结构为内凹六边形蜂窝结构。这也使负泊松比材料在很多方面拥有其他材料所没有的性能，如提高了材料的剪切模量、回弹韧性以及抗冲击性能等[4]。

图1 负泊松比内凹六边形蜂窝结构

由经典弹性理论可知，材料的剪切模量G、体积模量K、泊松比的关系如式1-1所示。由此可知，当泊松比为负时，材料具有较高的剪切模量，当材料的泊松比趋于-1时，其剪切模量趋于无穷大。因此，负泊松比材料抵抗剪切变形的能力较强，但相对容易发生体积变形，从而被压缩。

相较于传统材料，负泊松比材料具有更好的抗断裂性。相较于传统材料，负泊松比材料中发展裂缝所需要的能量更多，故其抗断裂性也更强。实验表明，相较传统材料，负泊松比材料具有接近两倍的抗断裂性能。

2.2 负泊松比材料在缓冲装置中的应用与研究

负泊松比材料在受到冲击荷载时，材料在荷载作用下竖向收缩的同时，由于负泊松比效应也产生横向收缩，导致材料汇集至受冲击处，产生“拉胀”效应，加强了受冲击处的力学性能。这一特性使得负泊松比材料具有相对优异的抗冲击性能，同时不易在冲击荷载下产生压痕。

由图1可知，负泊松比材料具有多孔结构，其特殊的内部构造使负泊松比材料具有较好的吸能隔振效果。同时，负泊松比材料的耐冲击特性、耐断裂特性，使其在吸能缓冲方面有良好的应用前景[5]。

闫鹏等人研究了双箭头蜂窝负泊松比材料的吸能减震性能，通过有限元建模分析，研究了其在冲击荷载下的吸能特性，结果表明相较传统缓冲材料，负泊松比材料作在用于防护结构中时，其减震效果更好[6]。

鲁超宇等人还探讨了负泊松比材料在高坠防护及缓冲系统中的应用。结果表明，由于负泊松比的“拉涨”作用，导致被撞击区域强度显著提高，因此可吸纳更多的撞击能量，延长耐冲击时间，同时保证人体的最大加速度不大于5.5g，从而有效地保障安全性[7]。

3 一种具有负泊松比效应的防屈曲支撑

3.1 有负泊松比效应的防屈曲支撑模型建立

现针对传统防屈曲支撑耗能能力较弱，通过浇筑混凝土形成内部约束造成构件自重大，生产周期长，工序复杂等缺陷，通过结合负泊松比材料吸能隔振的特性，提出一种具有负泊松比效应的防屈曲支撑，以提高构件的耗能减振效率，节约钢材用量，延长构件使用效率寿命，实现绿色低碳化目标。

该新型防屈曲支撑的爆炸示意图如图2所示，主要包括耗能管1，内外约束管31和32及连接主体节点板的连接结构5、配合部51、固定螺母6；耗能管上设有周期排列的多个负泊松比胞元，使得耗能管具有负泊松比效应：在受到轴向压力时，能够沿自身径向收缩；在受到轴向压力时，能够沿自身径向扩张；约束管包括外约束管和内约束管，外约束管套设于耗能管外，内约束管设于耗能管内，且内约束管、耗管及外约束管沿径向间隔布置；两端采用十字板与主体连接，并将其完全暴露在约束管外。上述构件均可在工厂预制，各构件可通过螺栓或焊接连接。

图2 具有负泊松比效应的防屈曲支撑构件示意图

3.2 具有负泊松比效应的防屈曲支撑特征

所述的具有负泊松比效应的防屈曲支撑构件，其特征在于，其耗能管上具有周期排列的多个负泊松比胞元，所述负泊松比胞元的形式可以为横竖正交椭圆形、横竖正交异构形、肋条缺失形、横竖正交菱形、内凹六边形、单层星型及多层星型等。以横竖正交椭圆形为例，图3为耗能管的示意图。防屈曲支撑构件其内约束管、外约束管采用正泊松比的钢管，与耗能管之间均填充有弹性无粘性材料，以减少内、外约束管与耗能管之间的摩擦和受到的轴向力。其中弹性无粘性材料可以选用橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等，并且所述耗能管与外约束管、内约束管之间的间隙距离D1和D2控制在1-2mm，保证防屈曲支撑具有稳定的力学性能。

图3 具有负泊松比胞元的耗能管示意图

3.3 具有负泊松比效应的防屈曲支撑工作原理

该防屈曲支撑在受到轴向压力时，耗能管由于负泊松比效应将沿径向收缩，内约束管则沿径向扩张，两者发生相对运动，相比一般的防屈曲支撑，对耗能管的约束更强，有助于耗能管产生高阶屈服并避免屈曲，从而提高耗能效率。同理，受到轴向拉力时，耗能管将沿径向扩张，外约束管沿径向收缩，也会发生相对运动，可获得相同的效益。同时，负泊松比结构还具有较大的和阻尼突出的吸能效果，可有效减小主体受到的地震作用。

3.4 具有负泊松比效应的防屈曲支撑的优势

此设计能够巧妙利用负泊松比结构的变形特点和独特的力学性能，大幅提升构件的耗能减振的能力，并能在小震作用下给外部结构提供一定的抗侧移刚度。如此构造也可使得构件具有更大的耗能能力和更好的延性，延长构件使用寿命；同时能够实现构件的轻型化，提高构件的可靠性；且加工方便，缩短生产周期，符合当下的“双碳目标”和建筑工业化的背景。