約束屈曲支撐耗能性能試驗研究

殷占忠 王秀麗（蘭州理工大學土木工程學院，蘭 州 730050）

抗震設計方法是通過增強結構自身的剛度來抵御地震作用，滿足抗震設防目標，當遇到強烈地震時結構的主受力構件將進入彈塑性工作階段，造成結構的損傷。因而提高大跨空間結構的安全度、降低結構損傷將是大跨空間結構抗震設計的發展方向之一。而我國大部分地區又處于地震區，需要考慮地震動的影響，所以對結構抗震減震性能進行深入細致的研究有著非常重要的理論意義和工程實用價值[1～3]。鑒于此，本文提出一種可用于保護結構的耗能支撐，即帶接觸環的雙鋼管約束屈曲支撐，并對該支撐進行了新型支撐構件的試驗研究，分析了支撐在循環加載下帶接觸環的雙鋼管約束屈曲支撐的耗能性能，并且討論了外套管間隙、外套管剛度對滯回曲線的影響。

1 模型參數

通過已有有限元分析結果，取三組帶五個接觸環的雙鋼管約束屈曲支撐作為試驗的模型[4～6]。試件主要由內核管、外套管及接觸環構成，其尺寸及構造見表1 和圖1。試件所選用材料為Q235結構鋼，構件與加載架連接時焊縫均采用全熔透的坡口焊，焊條采用E43 系列，焊縫質量控制為Ⅱ級。鋼管采用熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。

表1 構件尺寸表

圖1 試件模型構造圖

2 加載方式

通過理論計算初步確定的梁柱連接節點的極限荷載和最大節點位移，參考已有試驗的加載方案，確定整個試驗過程是在結合位移監測的力的控制狀態下進行。加載時采取分級遞增加載方式，在100kN 以前，增量荷載為1.5mm，當超過100kN 后，材料有可能進入塑性變形，出現破壞，故而取1mm 為增量荷載，見圖2。

圖2 加載制度

3 材料屬性

本試驗構件采用圓鋼管的分為兩組，Φ60×3.5 圓管和Φ45×2.5 圓管，構件材料性能由加工試件的鋼管切割并加工成標準試件，每組3 個，然后在試驗機上進行拉伸試驗，測得Φ60×3.5 鋼材的極限強度為464.13 MPa，屈服強度為237.32 MPa；測得Φ45×2.5 鋼材的極限強度為486.27 MPa，屈服強度為286.76 MPa；對于連接所用高強度螺栓，材料的屈服強度為640 Mpa，試件拉斷時的極限強度為890 MPa；彈性模量平均值為212.14GPa，泊松比約為0.3。

4 循環加載試驗

考慮到經濟因素，試驗采用擬動力試驗來近似模擬帶接觸環雙鋼管約束屈曲支撐在地震作用下的情況，通過循環加載后得到了相應的荷載位移曲線，見圖3。

圖3 循環荷載下的荷載-位移曲線

4.1 滯回性能分析

根據各種構件恢復力特征研究結果，構件的滯回曲線可歸納為四種典型形態。其中，梭型的曲線形狀飽滿圓滑，力與位移關系穩定。壓彎構件發生破壞時的表現：弓形中部內凹，存在“捏縮”效應；反S 形存在嚴重的“捏縮”效應，表明存在較大剪力、是框架、梁柱節點等有較大剪力影響的彎剪破壞的表現；Z 形反應了大量的滑移影響，是發生剪切滑移，具有一定延性的剪切破壞的表現。一般來說，剪切受力影響越大，滯回曲線形狀的“捏縮”現象越明顯。在許多構件中，往往開始是梭形，然后發展到弓形、反S 形或Z 形。滯回環面積表征構件耗能能力，面積越大，耗能能力越強。在四種典型滯回曲線中，梭形耗能能力最強，弓形次之，反S 形最差[7]。

從 圖4 中 可 以 看 到， 試 件MBRBs-1 至MBRBs-3 的荷載-位移曲線飽滿，面積大，滯回曲線呈梭形，具有良好的吸能能力。

4.2 約束剛度和間隙對試件滯回性能的影響

試 件 MBRBs-1、MBRBs-2 和 試 件MBRBs-3 除約束鋼管剛度和兩管間間隙不同外，其它參數都相同，只是試件MBRBs-1、MBRBs-2 的約束剛度差別較大， MBRBs-3 約束剛度差別較小，從這三條曲線明顯的看到：

（1）從滯回曲線的飽滿程度來看，構件MBRBs-1 和MBRBs-2 的 滯 回 性 能 最 飽滿， MBRBs-3 面積較小。從表1 可以看出，MBRBs-2 和MBRBs-1 的剛度剛度較大，說明剛度增大，導致當間隙都適當的情況下能得到較好的滯回性能。從圖4（a）、（b）來看，滯回曲線的形狀非常近似，面積相差不大，耗能性能相當。只有滯回曲線與X 軸的夾角不同，試件MBRBs-1 和MBRBs-2 大 于 試 件MBRBs-3，說明初始剛度不同，即證明了增設接觸環之后使支撐的初始剛度增大。

（2）從滯回曲線發展趨勢來看，曲線都比較穩定，試件沒有出現明顯的強度退化，剛度退化比較明顯。主要原因在于增設接觸環之后能夠保證構件內核屈服并進入塑性階段，剛度降低，但約束作用構件不會喪失承載能力。當外套管約束剛度較大和間隙適當時支撐的耗能能力越強。

（2） 從 構 件MBRBs-1 和MBRBs-3 的 滯回曲線（圖4a～c）看到，當這兩個構件的約束剛度相差較大，而間隙都相差不大時，表現出非常相似的滯回曲線，說明間隙起的作用要比剛度更加明顯。

4.3 內核長細比對耗能性能的影響

通過對構件MBRBs-2 和MBRBs-3 的滯回曲線進行比較，當約束套管剛度相差不大時構件的滯回曲線形狀相似，只是峰值不同。在約束剛度和間隙合理的情況下，初步表明這種約束屈曲支撐的內核長細比可以取較大的值，讓內核管面積減小，更好地屈服耗能。

5 小結

通過對帶五個接觸環的三組雙鋼管約束屈曲支撐的試驗研究，得出的主要結論有：

（1）帶接觸環的雙鋼管約束屈曲支撐構件，具有良好的吸能性能，且該支撐在受拉和受壓時都可屈服，受壓時性能較穩定。

（2）帶接觸環的雙鋼管約束屈曲支撐連接段更加可靠，破壞不會發生在連接段，且連接方便。

（3）試件的荷載-位移曲線飽滿，呈梭形，面積大，具有良好的吸能能力。試驗結果說明在受拉時的承載力略小于受壓時的承載力。

（4）約束剛度、間隙都對支撐的滯回性能有顯著影響。當約束剛度較大而間隙較小時滯回性能較好。

[1] Yamaguchi M.， Yamada， and Matsumoto Y.et al.Full-Scale shaking table test of damage tolerant structure with a buckling restrained brace[J].Journal of structural and construction engineering.2002，558：189-196.

[2] 汪家銘，中島正愛. 屈曲約束支撐體系的應用與研究進展（Ⅱ）[J].建筑鋼結構進展，2005，7（2）：1-11.

[3] 曹資，薛素鐸. 空間結構抗震理論與設計[M].北京：科學出版社，2005.劉建彬.防屈曲支撐及防屈曲支撐框架設計理論研究[D].北京：清華大學，2005.

[4] 殷占忠;王秀麗.帶接觸環的約束屈曲支撐有限元分析[J].蘭州理工大學學報，2008，34（5）：122-126 .

[5] 王秀麗;陳祥勇; 殷占忠.約束屈曲支撐對K6 型球面網殼減震效果分析[J].甘肅科學學報，2007，19（1）：122-126.

[6] 王秀麗，陳明.一種適用于桿系結構的屈曲約束支撐的有限元分析[J].蘭州理工大學學報，2007，33(3)：124-127.

[7] 建筑抗震試驗方法規程（JGJ101-96）[S].北京：中國建筑工業出版社，1997.