屈曲約束折形疊合耗能器試驗和模擬分析

楊熠明，楊 溥，舒 媛，李英民，馮力強，張孝斌

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.甘肅省建設投資(控股)集團有限公司，蘭州 730050)

傳統的梁柱節點在地震作用下由梁端或柱端出現塑性鉸而耗能，這種做法既不經濟也不方便修復，為保證主體結構在地震作用中不產生損傷，研究者提出了自復位結構形式減小震后殘余變形，將結構損傷集中于耗能裝置，地震后更換耗能器即可恢復結構功能。耗能裝置作為自復位消能減震結構的關鍵裝置，國內外的學者對此展開了研究[1-2]。而軟鋼阻尼器作為一種力學模型明確、材料易得、更換方便的阻尼器，具有良好的變形性能和穩定的滯回特性，能夠給結構提供額外的剛度，設計時通常小震時起支撐作用，大震時發揮消能作用。Kelly 等[3-4]在提出被動耗能減振概念，首次將承載功能和耗能功能分開，將耗能轉移到阻尼器中，為結構抗震設計提供了新思路，隨后學者們圍繞這一思路進行了多種阻尼器的研究。目前,多數軟鋼阻尼器為單片軟鋼阻尼器，Whittaker等[5]和Tsai等[6]分別提出了X型鋼板和三角形鋼板阻尼器，在此基礎上改變鋼板幾何形狀以產生多點屈服[7-9]，使鋼板充分發揮耗能作用，也有學者提出多片加勁型軟鋼耗能器[10]，由定位裝置和平行單片鋼板組裝而成，以及四連桿機構鋼板阻尼器[11]，以上阻尼器均是安裝于層間支撐處，由層間位移帶動阻尼器耗能。另一些軟鋼阻尼器可應用于柱腳或梁柱節點處，由主體結構間相對轉動帶動阻尼器耗能，柱腳處可安裝防屈曲支撐形式的軟鋼阻尼器[12-13]或防屈曲鋼板形式的阻尼器[14]，現有的應用于梁柱節點處的軟鋼阻尼器有扇形阻尼器[15]和角鋼阻尼器[16-17]。其中扇形阻尼器體積較大，角鋼阻尼器容易剛度退化且失效快、不易更換。同時針對自復位節點的可修復性能需求，需要設計一種方便更換的耗能器。

文中提出一種屈曲約束折形疊合耗能板,如圖1所示。可用高強螺栓裝配到鋼框架節點或鋼筋混凝土柱-鋼梁自復位節點處，耗能器與節點變形協調，在現有的位移條件下不會發生拉斷、平面外屈曲等非理想的破壞情況。對自復位結構而言，該耗能器也是加強板和抗剪抗彎連接裝置。文中對該耗能器進行單軸拉壓試驗以測試其耗能能力、剛度、承載力和連接強度等性能，并采用ABAQUS有限元軟件對該耗能器進行模擬分析。

圖1 節點構造圖

1 耗能器的設計與構造

耗能器構造及組裝如圖2所示，采用高強螺栓連接，可將耗能器方便地應用于自復位鋼框架節點或混凝土柱與鋼梁組合(RCS)節點中。屈曲約束折形疊合耗能器主要由折形耗能芯板和附加約束部件兩部分組成。折形耗能芯板中部為削弱耗能段，耗能段的長度和截面面積對耗能器的各項性能均有影響，耗能段的截面較小，在受拉壓時最先達到屈服，從而快速耗散地震能量；兩端為連接段，分別開孔用螺栓連接至梁側和柱側(短邊為柱側連接段，長邊為梁側連接段)；連接段與耗能段之間圓滑過渡，防止產生應力集中現象。附加約束部件包括梁側蓋板、柱側蓋板和側向墊塊，這些蓋板和夾板同時起到屈曲約束和梁端加強的作用。需要注意的是，芯板彎折段設長圓孔、蓋板和鋼梁設圓孔，使耗能芯板可以相對蓋板和鋼梁移動，保證芯板在地震作用下能有充分的變形來耗散能量、而梁側彎折處的螺栓并不傳遞剪力。

圖2 耗能器構造示意圖

耗能器的連接全部采用高強螺栓，便于更換，附加約束部件也可重復利用。能很好地實現自復位結構中對于節點的可修復功能，實現結構的震后快速回復功能。相比于傳統鋼結構節點或者RCS節點的剛性連接方式，這種屈曲約束折形疊合鋼板耗能器不會占用額外的空間，能夠很好地匹配現有的樓板墻板設計方式。在阻尼器試驗中，額外設置了一塊內約束蓋板代替實際節點中的工字鋼梁，體現鋼梁對耗能芯板的屈曲約束。由于泊松效應，耗能芯板受壓時會產生橫向變形，故梁側蓋板和耗能芯板之間使用螺栓墊片調整1 mm的間隙，側向墊塊也與耗能段保持2 mm的間距。側向墊塊加強了梁側蓋板的平面外剛度。柱側蓋板為耗能芯板的重要錨固構件，用來保證耗能板與柱端的穩固連接。這些附加約束部件共同保證了耗能板在地震作用下僅發生沿梁長方向的軸向變形，對耗能芯板起到屈曲約束的作用，同時還可對鋼梁翼緣起到一定的加強作用。

2 試驗加載及測量

2.1 試驗分組

根據阻尼器性能參數，阻尼器試驗共分為3組，每組2 個試件，耗能芯板尺寸如圖3所示，具體參數和編號如表1所示。

圖3 耗能內芯板尺寸

表1 試驗分組

2.2 加載裝置

試驗在重慶大學結構實驗室進行，軸向加載采用50 t液壓千斤頂進行往復加載。在耗能器加載平面外放置側向約束裝置，以防止加載過程中的試件出現平面外偏移或扭轉。耗能芯板的柱側連接段與剛度較大的連接支座相連。施加的荷載值由千斤頂下面傳感器測量并控制，耗能器各處的位移值由位移計測量，這些數據均由計算機自動采集。具體設置如圖4所示。

圖4 加載裝置示意圖

2.3 加載制度

加載方式為單向拉壓加載，整個加載過程采用位移控制，根據美國AISC(2005)規范關于梁柱節點加載制度的規定確定設置此類耗能器的節點應達到的變形程度，換算得到耗能器的加載位移幅值，各加載級的位移值如圖5所示，耗能器加載至最大位移12 mm時，可等效至節點達到4%層間位移角時的耗能器變形。試驗過程中保持加載的連續性和均勻性。

圖5 加載制度

2.4 材性試驗

耗能器試驗構件所用的材料為：耗能芯板采用Q235軟鋼材料，附加約束部件均采用Q345鋼材，如表2所示。

表2 各材料力學性能指標

3 試驗現象和結果數據分析

3.1 試驗現象

耗能器試驗中觀察到的現象：1)6組耗能器在試驗過程中均出現了高強螺栓相對鋼板錯動的現象。從第5個加載級(加載位移4.5 mm，對應節點層間位移角1.5%)開始后的每個加載級中，加載至20 kN時，裝置發出較大的連續響聲，同時試驗曲線出現相應的搓齒狀。通過觀察螺栓處的標記，可知產生這種情況的原因是螺栓相對鋼板的錯動，錯動位移值約為1 mm。2)如圖6所示，側邊白色標記可以明顯觀察到梁側蓋板與耗能芯板的相對位移，證明耗能芯板的耗能段能夠較好地實現屈服耗能，梁側和柱側蓋板均無變形，裝置未見失穩現象。3)在加載時，折形耗能芯板的柱側部分發生開口現象，彎折部分變形明顯，開口高度約為當前加載位移的1/3，表明除卻芯板耗能段有屈服耗能外，彎折處也發生了類似于傳統角鋼阻尼器的屈服變形耗能現象。這之后的每個加載循環中，加載位移歸零時觀察到底部彎折部分向梁側方向彎曲成一弧度。如圖6所示，耗能器的破壞形態為彎折部分有較大變形，連接段、底部螺栓孔有一定程度的變形。

圖6 試驗現象和破壞形態

3.2 滯回曲線

耗能器的滯回曲線是在單向循環豎向軸力作用下得到的耗能芯板軸向位移-軸力曲線。圖7所示為6組耗能器耗能芯板的滯回曲線，軸力以受拉為正，軸向位移以伸長為正。由圖7可知，耗能器初始剛度較大，整體滯回曲線較為飽滿，呈現出較好的耗能能力。各組耗能器分別在加載至2～4 mm時出現明顯的屈服臺階，橫截面積越大的耗能器屈服臺階出現的也越晚。屈服臺階出現之后，橫截面積大的耗能器滯回曲線更加飽滿，具有更強的耗能能力。

圖7 軸力-軸向位移滯回曲線

耗能芯板柱側連接段在受拉時有開口現象，此處鋼板變形較大，造成了彎折部分也參與了耗能。如圖8所示，參考純角鋼耗能曲線[18]和中間段削弱的軟鋼耗能試驗曲線[19]，可以看出，本次耗能器試驗結果結合了二者的耗能特點，在每一級加載制度的第一個循環呈現與中間段削弱的軟鋼耗能的耗能曲線相似的形狀，有明顯的屈服點和屈服平臺，之后的循環沿上一次的卸載曲線上升，呈現尖角形的耗能曲線。產生此現象的部分原因是，內約束蓋板和螺栓連接的強度不夠，無法達到實際的剛度條件。故每個加載級別的第一次加載循環中，耗能芯板被壓回原位時，內約束板無法完全將其約束至原形，導致彎折段有較大彎曲變形，在隨后的加載循環中剛度退化嚴重，滯回曲線不如首次循環飽滿，呈現出角鋼耗能曲線的特點。螺栓的錯動現象在每組試件的耗能曲線20 kN荷載時均有出現，曲線呈現橫向的抖動，在試驗中有劇烈的異響。

圖8 其他形式阻尼器滯回曲線

3.3 耗能分析

將耗能器在每一加載級的前2個循環的耗能面積整理如圖9所示。由圖可知：

圖9 軸向位移—耗能面積圖

1)軸向位移增大，滯回環的耗能面積隨之增大；每一個加載級的第二個循環的耗能面積與第一個循環相比降低較多，原因是第二個循環的曲線更接近于角鋼的變化特點，耗能能力不足。

2)耗能器的耗能能力與耗能段截面面積成正相關。在相同的連接強度下，耗能段截面面積越大，滯回環面積越大，耗能器耗能能力越強，如1-A和2-A、1-B和2-B；對于3-A和3-B，耗能段截面面積太大導致完成試驗所需的約束也更強，而柱側連接段和內側約束板的剛度并不能完全滿足，因此這2組試驗的彎折處變形遠大于橫截面積較小的4組試驗，在較大的荷載作用下，曲線類似于角鋼的耗能特點，角鋼的耗能不如鋼板耗能飽滿，總體而言，3-A和3-B的耗能面積反而較小，特別是每一級加載的第二循環，耗能極差。

4 耗能器模擬分析

4.1 耗能器有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件對耗能器進行數值分析。模型包括耗能芯板、內外蓋板、壓塊和底座。由于在加載過程中耗能芯板與其余構件都有接觸，所有構件都采用C3D8R八節點六面體減縮積分實體單元，使計算容易收斂。耗能芯板的梁身受力連接段與蓋板上部使用綁定連接，耗能芯板的耗能段、過渡段和不受力連接段與蓋板建立接觸，耗能芯板的柱身受力連接段與壓塊和底座建立接觸。在底座、耗能芯板的柱身受力連接段部分端面建立固定邊界條件，以防止在加載過程中產生位移，通過對柱側蓋板一定程度的放松約束來模擬實際的蓋板剛度。模型的加載制度與試驗一致。模型的材料定義參考材性試驗確定，鋼材的本構采用雙折線模型。

4.2 滯回曲線對比

圖10為屈曲約束折形疊合耗能器試驗與模擬的滯回曲線對比圖。可以看出，模擬與試驗曲線在耗能芯板進入屈服平臺的軸力和受拉承載力相符，初始剛度、受拉屈服后剛度、受壓剛度較為吻合。對于進入屈服狀態后的每一加載級，數值模擬中芯板的柱側連接段與壓塊的快速接觸使第二次循環的上升段曲線有一個較大的剛度變化，而試驗中的剛度變化則更加平緩。

圖10 荷載-位移曲線對比分析

圖11為耗能芯板的應力云圖，達到塑性應力部分的變形包括柱身受力連接段的受彎變形、梁側受力連接段和彎折段的拉壓變形，前者是造成角鋼耗能形式的原因，后兩者則是鋼板的耗能形式。

圖11 耗能芯板應力云圖

4.3 改進后的耗能器模擬

折形耗能芯板的連接強度和約束剛度對耗能器參與耗能的部位以及耗能能力有較大的影響，根據試驗和模擬結果，對此耗能器的設計和試驗裝置提出如下的改進建議，并對改進后的耗能器進行數值模擬分析。

1)耗能芯板的柱側連接段需加強，考慮鋼結構規范中螺栓孔的間距限制，以及和節點的尺寸協調，僅將耗能芯板的柱側連接段適當加寬。

2)試驗中由于采用的是高強螺栓承壓型連接，鋼板之間有較明顯的錯動現象，將之改為高強螺栓摩擦型連接能更好地保證耗能器的性能。

3)試驗裝置的剛度不夠會導致耗能器的性能無法完全在試驗中發揮。在實際的梁柱節點中，鋼梁和蓋板能提供較大的約束作用。試驗中只對千斤頂與耗能器的連接段進行軸向和轉動約束，耗能器彎折部位仍有較大的彎曲存在，在試驗裝置此處增加額外的約束裝置可得到更好的試驗效果。

在此基礎上進行改進后的耗能器模擬工作，耗能芯板的柱身受力連接段寬度增大并將其完全固定；對蓋板施加只在軸向運動的約束。改進后的耗能器模擬的軸向位移-軸力滯回曲線如圖12所示。與對應的試驗曲線相比，滯回環更飽滿，初始剛度更大，承載力也更大。

圖12 改進后耗能器滯回曲線

圖13為改進后耗能芯板的應力云圖，可見耗能基本集中在中間削弱段，達到了較佳的耗能狀態。

圖13 改進后耗能器應力云圖

5 結 論

通過屈曲約束折形疊合鋼板耗能器的試驗和有限元模擬，主要得到以下結論：

1)該耗能器裝拆方便，更換耗能器耗能芯板即可恢復其抗震性能，能夠實現“可更換”的性能目標，作為自復位梁柱節點的耗能器使用。

2)該耗能器具有較好的耗能能力、剛度和承載力，在單軸拉壓過程中，除耗能芯板外其余構件均處于彈性狀態，其破壞模式與預期相符。

3)模擬結果與試驗結果吻合較好，說明了有限元模擬的有效性；在此基礎上對耗能器進行了優化改進，模擬結果表明，改進后的耗能器具有更飽滿的耗能、更高的承載力和剛度。