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摘要：介紹防屈曲耗能支撐的構成和工作原理，歸納防屈曲耗能支撐的類型，分析現有防屈曲耗能支撐存在的不足，提出“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的新型防屈曲耗能支撐設計思想，給出“開孔式”和“開槽式”兩種新型防屈曲耗能支撐設計方案。...

新型防屈曲耗能支撐設計原理與性能研究

周云 錢洪濤 褚洪民 鄒征敏

廣卅大學 廣東廣州510006

引言

    防屈曲耗能支撐由于具有性能穩定、減震效果顯著、施工安裝方便、經濟等特點，從而成為目前研究和應用較多的耗能構件。特別是日本神戶地震、美國北嶺地震后，其在日本、美國、加拿大、我國臺灣等地區都得到了較好的應用。目前，日本、臺灣的一些制造商已在我國大陸開拓市場，但由于技術封鎖或持技術而抬高售價，致使我國工程業主和技術人員難以接受，在國內應用遲緩。為了使這種減震技術盡快在我國得到應用，迫切需要開展這方面的技術開發與研究工作，特別是開發具有自主知識產權的實用新型防屈曲耗能支撐，并解決工程設計與應用中的關鍵問題。

    基于目前普通的防屈曲耗能支撐屈服位置難以確定導致其設計期望性能與實際工作性能不符、約束單元需要灌注砂漿導致其自重大而且加工工序復雜以及材料浪費、端部需要加強等不足，本文作者提出了“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的新型防屈曲耗能支撐設計思想，即通過局部削減防屈曲耗能支撐核心單元，使其有屈服段與非屈服段，屈服位置可以預先設定從而具有定點屈服的功能，改進了防屈曲耗能支撐的性能。這樣設計的防屈曲耗能支撐可以避免端部加強及其帶來的問題，而且加工簡單，節約材料，從而有利于推廣應用�；�于此思想，本文作者提出了“開孔式”和“開槽式”兩種新型防屈曲耗能支撐設計方案，設計了新型開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐和普通三重鋼管防屈曲耗能支撐的模型，并對其進行了性能試驗研究，通過對試驗結果的對比分析，驗證了此思想的可行性。

1、防屈曲耗能支撐的構成與類型

　　1.1防屈曲耗能支撐的構成和原理

    防屈曲耗能支撐是一種受壓時發生屈服而不發生屈曲的構件，其構造組成可從兩方面來分析，即橫向構成和縱向構成。橫向構成主要由鋼核心構件、外約束構件(鋼管、混凝土等)和無黏結材料等三部分組成(圖1a)；縱向構成分為5個部分3-(圖2)：約束屈服段、約束非屈服段、無約束非屈服段、無黏結可膨脹材料和屈曲約束機構。其工作原理為：支撐結構在地震作用下所承受的軸向力作用全部由支撐中心的芯材承受，該芯材在軸向拉力和壓力作用下屈服耗能，而外圍鋼管和管內灌注的混凝土或砂漿提供給芯材彎曲限制，避免芯材受壓時屈曲。由于泊松效應，芯材在受壓情況下會膨脹，因此在芯材和砂漿之間設有一層無黏結材料(由橡膠、聚乙烯、硅膠、乳膠等制成)或非常狹小的空氣層，可以減小或消除芯材受軸力時傳給砂漿或混凝土的力。

    防屈曲耗能支撐在受拉與受壓時均能達到屈服而不發生屈曲，較之傳統支撐構件具有更穩定的力學性能，經過合理設計的防屈曲耗能支撐可具有較高的剛度和良好的滯回耗能能力(圖1b)，因此，防屈曲耗能支撐同時具有同心斜撐和滯回型耗能元件的優點，具有良好的應用價值。

 

(b)防屈曲耗能支撐和傳統中心支撐的性能對比

圖1  防屈曲耗能支撐及其滯回曲線

 

圖2  防屈曲耗能支撐的縱向構成

　　1.2防屈曲耗能支撐的類型

    防屈曲耗能支撐按約束單元外形不同，主要可分為兩大類：一類是用鋼管式混凝土或純鋼約束核心支撐的管式防屈曲耗能支撐(圖3)；另一類是以墻板為約束單元的墻板式防屈曲耗能支撐(圖4)(即內藏鋼板支撐)。管式防屈曲耗能支撐根據其截面形式不同、芯材材料不同以及有無無黏結材料等又可分為傳統防屈曲耗能支撐、鋼砂漿板防屈曲耗能支撐、低屈服點鋼防屈曲耗能支撐、雙截面防屈曲耗能支撐、強化式防屈曲耗能支撐、三重鋼管防屈醢耗能支撐、四重鋼管防屈曲耗能支撐等。

 

圖4內藏鋼板支撐

　　1.3防屈曲耗能支撐存在的問題

    防屈曲耗能支撐雖然種類和形式不同，但原理和構成基本一樣，共同存在以下問題：

    (1)由于制造的誤差，荷載的隨機性，導致防屈曲耗能支撐在實際使用中屈服位置的隨機性，使設計的期望性態與實際性態有出入，同時給分析和設計帶來了困難。

    (2)需要進行端部加強，有的支撐的核心單元是由普通鋼和低屈服點鋼材焊接而成，致使支撐加工復雜和材料浪費；大多數支撐需要應用無黏結材料，致使支撐組件材料種類較多，導致設計時分析困難、元件加工制造及組裝時質量及精度不易控制，且約束單元會產生滑動，影響防屈曲耗能支撐的整體抗震效果。

    (3)約束單元需要灌注砂漿，一般鋼結構廠無法獨立完成制作，且使支撐自重較大，限制了其在輕質鋼結構中的應用，另外砂漿容易壓碎破壞導致支撐發生局部屈曲。

    (4)由于現有防屈曲耗能支撐均是研究者自行研制，并申請了專利，許多性能參數、制造技術、分析方法均屬保密，這一方面保護了知識產權，但另一方面也限制了該項技術的發展和推廣使用；我國目前具有自主知識產權且性能良好的防屈曲耗能支撐不多，且具體設計參數以及設計方法均沒有詳細規定。

2、新型防屈曲耗能支撐設計的原理與方案

    基于以上防屈曲耗能支撐存在的問題，本文作者提出“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的新型防屈曲耗能支撐設計思想，即通過局部削減防屈曲耗能支撐核心單元，使其有屈服段與非屈服段，屈服位置可以預先設定從而具有定點屈服的功能，改進了防屈曲耗能支撐的性能。局部削弱方式有多種，如開槽式、開孔式等，每種削弱方式又可分為一處削弱和多處削弱等。圖5～圖8是幾種常見核心單元的局部削弱方式的效果圖。

 

　　按“核心單元局部削弱”設計思想設計的防屈曲耗能支撐有以下優點：

    (1)核心單元經局部削弱后，在工作中當受到的拉力和壓力達到削弱部位的屈服強度時該部位將率先進入屈服耗能狀態耗散地震能量，若拉力和壓力繼續增大，屈服區域將會擴展，直至核心單元全截面屈服，這就實現了由同種材料制成的核心單元具有了屈服段與非屈服段，避免了使用低屈服點鋼，同時避免了核心單元使用低屈服點鋼與普通鋼時的焊接工序及其帶來的問題。

    (2)由于核心單元的屈服首先發生在局部削弱部位，即通過局部削弱使核心單元實現定點屈服，這非常有利于核心單元的設計。

    (3)核心單元削弱后，其承載力略微有所下降，根據“強”與“弱”的相對性，這相當于加強了耗能支撐非約束屈服段的強度，這樣便不需要對支撐端部進行額外加強，避免了端部加強所引起的問題。 

    (4)當采用多處相同尺寸局部削弱時，可實現多處同時屈服耗能，這樣便可充分利用材料，提高核心單元的耗能效率。

3、開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐設計與性能研究

　　3.1試件設計

    為了檢驗防屈曲耗能支撐“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”設計思想的可行性，本文作者設計了一種開孔式三重鋼管耗能支撐，其構造如圖9所示，它由核心鋼管、外約束鋼管、內約束鋼管以及核心鋼管兩端的連接部件組成。核心鋼管包括連接段(不開孔部位)和耗能段(開孔部位)，內、外約束鋼管起防止核心鋼管屈曲及因屈服而導致的支撐承載力下降的作用，還可以解決核心鋼管應力集中現象。為了對比開孔對支撐性能的影響，本文還設計了一組不開孔支撐，故本次試驗共有兩組試件，其中不開孔的3個試件、開孔的4個試件。試件編號分別為B-I(Ⅱ、III)、KB—I(Ⅱ、IIl、IV)。其中B.I(Ⅱ、III)、KB-I(Ⅱ、Ⅲ、IV)試驗體編號意義：B為普通防屈曲耗能支撐；KB為開孔式防屈曲耗能支撐；I、Ⅱ、Ⅲ、IV為一組4個試件編號。本文試驗取核心鋼管與內、外約束鋼管的空隙為0。試件B-I(Ⅱ、III)的尺寸和材料如表l所示，其中，材料型號由材料試驗確定。開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐試件與不開孔的三重鋼管防屈曲耗能支撐試件的尺寸和材料相同，兩者區別就是前者核心單元開長條孔，開孔形狀和尺寸如圖10所示。

表1 B-Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)試件尺寸及材料

 

　　3.2試驗加載系統

    試驗加載系統由試驗架、作動器、支撐底座等組成。試驗架為門字型自平衡受力系統，沿橫向加載，加載系統實拍照片如圖ll所示。試驗所用加載設備是從北京三強同維機電液壓科技發展有限公司引人的數字控制結構實驗加載設備，其為計算機控制的電動伺服加載系統(可以擴展)，包括控制計算機、控制器、加載作動器、加載控制軟件和數據采集軟件等。加載作動器出力50kN、行程+/-200mm。作動器實物照片如圖l2所示。

　　3.3試驗加載制度

    本試驗采用美國《鋼結構建筑抗震設計規定》(ANSl/AISC341--05)所建議的加載歷程，采用位移控制，對這兩種支撐進行了標準加載試驗。本標準加載試驗可分為五個步驟，即先后對應于△b=△by、△b=0．50△bm、△b=1△bm 、△b=1．5△bm、△b=2．0△bm 時分別兩周加載，其中：△by為第一個屈服點的軸向變形值，△bm相應于設計層間時的變形值，本文取△bm]4△by，△by由試驗前的材料試驗所得。

　　3.4主要試驗結果

    通過試驗，得到各個支撐試件的滯回曲線如圖13～圖l9所示。圖20為核心單元開孔與不開孔試件所得滯回曲線對比圖。圖21和圖22分別是試驗后普通三重鋼管和開孔式三重鋼管耗能支撐的端部情況，其中普通三重鋼管端部加強了，開孔式三重鋼管的端部沒有加強，兩者在試驗中都沒有破壞。

 

　　3.5試驗結果分析

　　3.5.1滯回耗能特性

　　通過試驗研究可以發現，兩種支撐的滯回曲線全程飽滿，加載位移相同的滯回曲線幾乎重合，最大拉壓承載力相差不大(最大相差l3．44％)，滯回圈有相當良好的對稱性，規律性好，無強度退化現象，屈服后強度穩定增加。通過分析與比較，可以得出以下結論：

　　(1)普通三重鋼管防屈曲耗能支撐和開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐都有較好的滯回耗能能力。 

　　(2)開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐端部并沒有進行強化處理，但試驗結果證明了其端部的穩定性：開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐通過核心單元開孔使防屈曲耗能支撐屈服位置可以預先沒定，即達到定點屈服功能，實現了同種材料核心單元具有了屈服段和非屈服段，避免了普通三重鋼管耗能支撐由于端部加強或核心單元由普通鋼材和低屈服點鋼材制成的鋼管的焊接工序而造成的加工困難和材料浪費等問題。

    (3)觀察滯回曲線對比圖20可以發現三重鋼管防屈曲耗能支撐試件核心單元開孔之后，屈服荷載和屈服位移都略有降低；觀察圖21和圖22可以發現，圖21所示不開孔支撐核心鋼管端部有油漆松動脫落，說明核心鋼管連接段發生了變形，而圖22所示開孔構件核心鋼管端部油漆完好無損，說明其連接段未發生變形，由此說明開孔核心單元具有由低屈服點鋼材制成的核心單元的功能。

　　3.5.2耗能系數與等效黏滯阻尼比

    根據我國《建筑抗震試驗方法規程》(JGJl01—96)耗能系數的定義，求得試驗中兩種系列防屈曲耗能支撐的耗能系數，如表2所示。

　　從表2中可以看出，三重鋼管防屈曲耗能支撐具有穩定的耗能系數，本文研究的開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐耗能系數均略大于普通三重鋼管防屈曲耗能支撐的耗能系數。

表2試驗試件耗能系數

    等效黏滯阻尼比是抗震減震結構技術的一個重要物理量，是對非線性結構進行等效線性計算時采用的、反映構件或結構耗能能力大小的一個關鍵參數。確定等效黏滯阻尼比最普遍的方法是利用非彈性體系的滯回耗能與等效線性體系的耗能相等的原則，基于這一概念，等效阻尼比可表示為：

 

　　式中：ED為非線性體系所耗散的能量，即圖23中滯回曲線所包圍的面積SABCD；Es為等效線性體系的應變能，即圖23中SOBE面積。

 

圖23滯回曲線示意圖

    為區別支撐試件在拉、壓受力下阻尼比的特點，取加載試驗的最后加載圈(第五圈)的滯回曲線的上下半圈分別進行統計計算，采用式(2)計算等效黏滯阻尼比：

　　由式(2)計算試驗試件等效黏滯阻尼比值如表3所示。

    從表中可以看出，三重鋼管防屈曲耗能支撐的等效黏滯阻尼比都比較大，本文研究的開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐的等效黏滯阻尼比略大于普通三重鋼管防屈曲耗能支撐。

表3試驗試件黏滯阻尼比

 

4、結論

　　本文提出了“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的新型防屈曲耗能支撐設計思想，給出了“開孔式”和“開槽式”兩種削弱方式，并設計了新型開孔式三重鋼管防屈曲耗能支撐模型和普通三重鋼管防屈曲耗能支撐模型。通過對兩種模型的循環加載試驗研究，對比研究了這兩種防屈曲耗能支撐的性能。試驗研究結果表明，在相同條件下，開孔式防屈曲耗能支撐的耗能能力、等效黏滯阻尼比、耗能系數與普通三重鋼管防屈曲耗能支撐相比相差不大，但是開孔式防屈曲耗能支撐可以避免普通三重鋼管防屈曲耗能支撐端部需要加強、加工復雜等不足，說明本文提出的防屈曲耗能支撐“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的設計思想是可行的，通過核心單元局部削弱的方式來改進耗能支撐的抗震性能是非常有效的。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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