負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在耗能減振構(gòu)件中的應(yīng)用前景

張彬 張博濤 劉江文

武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430000

從長遠(yuǎn)來看，地震、海嘯和臺風(fēng)等自然災(zāi)害都對建筑的施工、運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)等階段產(chǎn)生不利影響。特別是地震會嚴(yán)重威脅建筑物的穩(wěn)定性。根據(jù)全球災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺顯示，中國近一年災(zāi)害頻次位列全球第六，自然災(zāi)害已對國家發(fā)展造成嚴(yán)重影響。因此，對建筑結(jié)構(gòu)減振系統(tǒng)的研究勢在必行。

防屈曲支撐作為一種常用的耗能減震構(gòu)件[1]，能夠通過內(nèi)核鋼芯的滯回變形消耗地震能量，從而保護(hù)建筑物的穩(wěn)定；負(fù)泊松比材料由于其多孔的內(nèi)部構(gòu)造，使其具有吸能隔振的優(yōu)點(diǎn)，可有效降低沖擊力。本文對防屈曲支撐以及負(fù)泊松比材料的研究與應(yīng)用進(jìn)行論述，并對負(fù)泊松比材料在防屈曲支撐中的應(yīng)用提出一種實(shí)施方式。

1 防屈曲支撐的應(yīng)用

1.1 工作原理

防屈曲支撐構(gòu)件一般由耗能核心層、約束層和無粘結(jié)材料組成。耗能核心層與外部結(jié)構(gòu)連接，直接承擔(dān)外部荷載，受軸向力作用；它在正常使用狀態(tài)下，處于彈性階段，增大結(jié)構(gòu)的剛度；在地震作用和極端荷載作用下，耗能核心層進(jìn)入塑性階段，通過塑性變形消耗部分地震能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。約束層約束耗能核心層變形，使其盡量僅發(fā)生軸向變形，防止其發(fā)生整體屈曲，甚至幫助耗能核心層形成多段屈服，使其通過屈服耗能而不會失穩(wěn)破壞；耗能核心層應(yīng)具有足夠的抗彎能力，它與耗能核心層之間由無粘結(jié)材料填充，以消除兩者之間的摩檫力，使得耗能核心層能夠自由伸縮，并避免受到過大的軸向力。

1.2 鋼管混凝土防屈曲支撐

20世紀(jì)60年代，關(guān)于鋼管混凝土防屈曲支撐的理論與應(yīng)用開始出現(xiàn)，是世界上最早的一種實(shí)用型防屈曲支撐。其設(shè)計原理與鋼管混凝土柱相似，其外部約束單元能對耗能核心構(gòu)件提供更好的約束作用，使其長期保持良好的滯回耗能性能。其核心耗能構(gòu)件的截面形式可以為一字型以及十字形等，研究表明十字形核心芯板構(gòu)件與混凝土的間隙可取1-2mm，中間填充無粘結(jié)材料減少兩者的摩檫力[2]。

1.3 雙鋼管、三重鋼管防屈曲支撐

在鋼管混凝土防屈曲支撐的基礎(chǔ)上，雙鋼管以及三重鋼管防屈曲支撐的研究也逐漸得到廣泛應(yīng)用。其特點(diǎn)是耗能構(gòu)件與約束構(gòu)件均為鋼管，外部約束鋼管抵抗核心構(gòu)件的彎曲，由于雙鋼管組合約束形式具有更好的約束能力，可有效防止耗能核心層屈曲，具有良好的耗能性能與力學(xué)性能[3]。研究表明內(nèi)芯與內(nèi)圓鋼管之間的間隙可為 1-4mm ，避免產(chǎn)生多波屈曲和局部失穩(wěn)現(xiàn)象，支撐的承載能力隨著內(nèi)芯寬厚比的增大而減小，支撐的的力學(xué)性能也隨著約束比的增大趨于穩(wěn)定。同時內(nèi)部無需填充混凝土，大幅度降低構(gòu)件自重，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕量化。

1.4 裝配式防屈曲支撐

為進(jìn)一步滿足現(xiàn)代建筑抗震的需求，以及響應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略和建筑工業(yè)化的要求，相關(guān)學(xué)者提出裝配式防屈曲支撐，主要使用型鋼與鋼板進(jìn)行組合，使用螺栓將防屈曲支撐的外部約束單元連接成一體，消除了混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)所帶來的問題。與傳統(tǒng)的防屈曲支撐構(gòu)件相比，具有便于運(yùn)輸、可現(xiàn)場組裝、便于拆卸的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件損壞后的修復(fù)與更換。此外使用鋁合金等金屬材料，還可以提高構(gòu)件的耐腐蝕性，適用于海洋等耐腐蝕要求較高的工程。但是由于螺栓孔的削弱作用，連接部位的截面尺寸應(yīng)相應(yīng)增大；同時應(yīng)重視焊接殘余應(yīng)力造成的影響。

1.5 新型防屈曲支撐

纖維復(fù)合增強(qiáng)材料（FRP）在工程中已有較為廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于構(gòu)件的加固，具有耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在防屈曲支撐構(gòu)件中使用纖維復(fù)合增強(qiáng)材料，可以大幅降低構(gòu)件的自重，減少鋼材和混凝土的使用，利于節(jié)約資源。

2020年，孫洪鵬提出一種新型GFRP管防屈曲支撐，并通過試驗與理論結(jié)合的方式，研究得出GFRP具有較高的環(huán)向強(qiáng)度，能夠有效約束核心耗能構(gòu)件，防止局部屈曲，并展現(xiàn)出優(yōu)越的耗能能力。

2023年，譙鴻程提出一種三管式GFRP-鋁合金防屈曲支撐，核心耗能構(gòu)件為鋁合金管，內(nèi)外約束構(gòu)件采用GFRP纏繞管，通過實(shí)驗與理論結(jié)合的方式，研究得出該新型GFRP-鋁合金防屈曲支撐具有飽滿的滯回曲線，抗震效果良好，降低了結(jié)構(gòu)30%-45%的層間位移角，有利于維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 負(fù)泊松比材料的研究與應(yīng)用

2.1 材料特性

相比現(xiàn)在常用的材料，負(fù)泊松比材料由于具有不同于普通材料的獨(dú)特性質(zhì)，其在受拉時膨脹，受壓時收縮，即“拉脹”效應(yīng)。如圖1所示，其最具代表性的結(jié)構(gòu)為內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。這也使負(fù)泊松比材料在很多方面擁有其他材料所沒有的性能，如提高了材料的剪切模量、回彈韌性以及抗沖擊性能等[4]。

圖1 負(fù)泊松比內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)

由經(jīng)典彈性理論可知，材料的剪切模量G、體積模量K、泊松比的關(guān)系如式1-1所示。由此可知，當(dāng)泊松比為負(fù)時，材料具有較高的剪切模量，當(dāng)材料的泊松比趨于-1時，其剪切模量趨于無窮大。因此，負(fù)泊松比材料抵抗剪切變形的能力較強(qiáng)，但相對容易發(fā)生體積變形，從而被壓縮。

相較于傳統(tǒng)材料，負(fù)泊松比材料具有更好的抗斷裂性。相較于傳統(tǒng)材料，負(fù)泊松比材料中發(fā)展裂縫所需要的能量更多，故其抗斷裂性也更強(qiáng)。實(shí)驗表明，相較傳統(tǒng)材料，負(fù)泊松比材料具有接近兩倍的抗斷裂性能。

2.2 負(fù)泊松比材料在緩沖裝置中的應(yīng)用與研究

負(fù)泊松比材料在受到?jīng)_擊荷載時，材料在荷載作用下豎向收縮的同時，由于負(fù)泊松比效應(yīng)也產(chǎn)生橫向收縮，導(dǎo)致材料匯集至受沖擊處，產(chǎn)生“拉脹”效應(yīng)，加強(qiáng)了受沖擊處的力學(xué)性能。這一特性使得負(fù)泊松比材料具有相對優(yōu)異的抗沖擊性能，同時不易在沖擊荷載下產(chǎn)生壓痕。

由圖1可知，負(fù)泊松比材料具有多孔結(jié)構(gòu)，其特殊的內(nèi)部構(gòu)造使負(fù)泊松比材料具有較好的吸能隔振效果。同時，負(fù)泊松比材料的耐沖擊特性、耐斷裂特性，使其在吸能緩沖方面有良好的應(yīng)用前景[5]。

閆鵬等人研究了雙箭頭蜂窩負(fù)泊松比材料的吸能減震性能，通過有限元建模分析，研究了其在沖擊荷載下的吸能特性，結(jié)果表明相較傳統(tǒng)緩沖材料，負(fù)泊松比材料作在用于防護(hù)結(jié)構(gòu)中時，其減震效果更好[6]。

魯超宇等人還探討了負(fù)泊松比材料在高墜防護(hù)及緩沖系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，由于負(fù)泊松比的“拉漲”作用，導(dǎo)致被撞擊區(qū)域強(qiáng)度顯著提高，因此可吸納更多的撞擊能量，延長耐沖擊時間，同時保證人體的最大加速度不大于5.5g，從而有效地保障安全性[7]。

3 一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐

3.1 有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐模型建立

現(xiàn)針對傳統(tǒng)防屈曲支撐耗能能力較弱，通過澆筑混凝土形成內(nèi)部約束造成構(gòu)件自重大，生產(chǎn)周期長，工序復(fù)雜等缺陷，通過結(jié)合負(fù)泊松比材料吸能隔振的特性，提出一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐，以提高構(gòu)件的耗能減振效率，節(jié)約鋼材用量，延長構(gòu)件使用效率壽命，實(shí)現(xiàn)綠色低碳化目標(biāo)。

該新型防屈曲支撐的爆炸示意圖如圖2所示，主要包括耗能管1，內(nèi)外約束管31和32及連接主體節(jié)點(diǎn)板的連接結(jié)構(gòu)5、配合部51、固定螺母6；耗能管上設(shè)有周期排列的多個負(fù)泊松比胞元，使得耗能管具有負(fù)泊松比效應(yīng)：在受到軸向壓力時，能夠沿自身徑向收縮；在受到軸向壓力時，能夠沿自身徑向擴(kuò)張；約束管包括外約束管和內(nèi)約束管，外約束管套設(shè)于耗能管外，內(nèi)約束管設(shè)于耗能管內(nèi)，且內(nèi)約束管、耗管及外約束管沿徑向間隔布置；兩端采用十字板與主體連接，并將其完全暴露在約束管外。上述構(gòu)件均可在工廠預(yù)制，各構(gòu)件可通過螺栓或焊接連接。

圖2 具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐構(gòu)件示意圖

3.2 具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐特征

所述的具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐構(gòu)件，其特征在于，其耗能管上具有周期排列的多個負(fù)泊松比胞元，所述負(fù)泊松比胞元的形式可以為橫豎正交橢圓形、橫豎正交異構(gòu)形、肋條缺失形、橫豎正交菱形、內(nèi)凹六邊形、單層星型及多層星型等。以橫豎正交橢圓形為例，圖3為耗能管的示意圖。防屈曲支撐構(gòu)件其內(nèi)約束管、外約束管采用正泊松比的鋼管，與耗能管之間均填充有彈性無粘性材料，以減少內(nèi)、外約束管與耗能管之間的摩擦和受到的軸向力。其中彈性無粘性材料可以選用橡膠、聚乙烯、硅膠、乳膠等，并且所述耗能管與外約束管、內(nèi)約束管之間的間隙距離D1和D2控制在1-2mm，保證防屈曲支撐具有穩(wěn)定的力學(xué)性能。

圖3 具有負(fù)泊松比胞元的耗能管示意圖

3.3 具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐工作原理

該防屈曲支撐在受到軸向壓力時，耗能管由于負(fù)泊松比效應(yīng)將沿徑向收縮，內(nèi)約束管則沿徑向擴(kuò)張，兩者發(fā)生相對運(yùn)動，相比一般的防屈曲支撐，對耗能管的約束更強(qiáng)，有助于耗能管產(chǎn)生高階屈服并避免屈曲，從而提高耗能效率。同理，受到軸向拉力時，耗能管將沿徑向擴(kuò)張，外約束管沿徑向收縮，也會發(fā)生相對運(yùn)動，可獲得相同的效益。同時，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)還具有較大的和阻尼突出的吸能效果，可有效減小主體受到的地震作用。

3.4 具有負(fù)泊松比效應(yīng)的防屈曲支撐的優(yōu)勢

此設(shè)計能夠巧妙利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)和獨(dú)特的力學(xué)性能，大幅提升構(gòu)件的耗能減振的能力，并能在小震作用下給外部結(jié)構(gòu)提供一定的抗側(cè)移剛度。如此構(gòu)造也可使得構(gòu)件具有更大的耗能能力和更好的延性，延長構(gòu)件使用壽命；同時能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件的輕型化，提高構(gòu)件的可靠性；且加工方便，縮短生產(chǎn)周期，符合當(dāng)下的“雙碳目標(biāo)”和建筑工業(yè)化的背景。

4 結(jié)語

綜上，探索新型耗能減振構(gòu)件以提高建筑物在地震等自然災(zāi)害中的穩(wěn)定性，是構(gòu)建綠色建筑、促進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要部分。防屈曲支撐作為傳統(tǒng)的耗能減振構(gòu)件，與具有“拉脹效應(yīng)”的負(fù)泊松比材料相結(jié)合，以提高防屈曲支撐構(gòu)件的耗能能力和使用壽命，可以運(yùn)用到綠色建筑的設(shè)計中，具有巨大的研究前景。