约束屈曲支撑耗能性能试验研究

殷占忠 王秀丽（兰州理工大学土木工程学院，兰 州 730050）

抗震设计方法是通过增强结构自身的刚度来抵御地震作用，满足抗震设防目标，当遇到强烈地震时结构的主受力构件将进入弹塑性工作阶段，造成结构的损伤。因而提高大跨空间结构的安全度、降低结构损伤将是大跨空间结构抗震设计的发展方向之一。而我国大部分地区又处于地震区，需要考虑地震动的影响，所以对结构抗震减震性能进行深入细致的研究有着非常重要的理论意义和工程实用价值[1～3]。鉴于此，本文提出一种可用于保护结构的耗能支撑，即带接触环的双钢管约束屈曲支撑，并对该支撑进行了新型支撑构件的试验研究，分析了支撑在循环加载下带接触环的双钢管约束屈曲支撑的耗能性能，并且讨论了外套管间隙、外套管刚度对滞回曲线的影响。

1 模型参数

通过已有有限元分析结果，取三组带五个接触环的双钢管约束屈曲支撑作为试验的模型[4～6]。试件主要由内核管、外套管及接触环构成，其尺寸及构造见表1 和图1。试件所选用材料为Q235结构钢，构件与加载架连接时焊缝均采用全熔透的坡口焊，焊条采用E43 系列，焊缝质量控制为Ⅱ级。钢管采用热轧无缝钢管和焊接钢管。

表1 构件尺寸表

图1 试件模型构造图

2 加载方式

通过理论计算初步确定的梁柱连接节点的极限荷载和最大节点位移，参考已有试验的加载方案，确定整个试验过程是在结合位移监测的力的控制状态下进行。加载时采取分级递增加载方式，在100kN 以前，增量荷载为1.5mm，当超过100kN 后，材料有可能进入塑性变形，出现破坏，故而取1mm 为增量荷载，见图2。

图2 加载制度

3 材料属性

本试验构件采用圆钢管的分为两组，Φ60×3.5 圆管和Φ45×2.5 圆管，构件材料性能由加工试件的钢管切割并加工成标准试件，每组3 个，然后在试验机上进行拉伸试验，测得Φ60×3.5 钢材的极限强度为464.13 MPa，屈服强度为237.32 MPa；测得Φ45×2.5 钢材的极限强度为486.27 MPa，屈服强度为286.76 MPa；对于连接所用高强度螺栓，材料的屈服强度为640 Mpa，试件拉断时的极限强度为890 MPa；弹性模量平均值为212.14GPa，泊松比约为0.3。

4 循环加载试验

考虑到经济因素，试验采用拟动力试验来近似模拟带接触环双钢管约束屈曲支撑在地震作用下的情况，通过循环加载后得到了相应的荷载位移曲线，见图3。

图3 循环荷载下的荷载-位移曲线

4.1 滞回性能分析

根据各种构件恢复力特征研究结果，构件的滞回曲线可归纳为四种典型形态。其中，梭型的曲线形状饱满圆滑，力与位移关系稳定。压弯构件发生破坏时的表现：弓形中部内凹，存在“捏缩”效应；反S 形存在严重的“捏缩”效应，表明存在较大剪力、是框架、梁柱节点等有较大剪力影响的弯剪破坏的表现；Z 形反应了大量的滑移影响，是发生剪切滑移，具有一定延性的剪切破坏的表现。一般来说，剪切受力影响越大，滞回曲线形状的“捏缩”现象越明显。在许多构件中，往往开始是梭形，然后发展到弓形、反S 形或Z 形。滞回环面积表征构件耗能能力，面积越大，耗能能力越强。在四种典型滞回曲线中，梭形耗能能力最强，弓形次之，反S 形最差[7]。

从 图4 中 可 以 看 到， 试 件MBRBs-1 至MBRBs-3 的荷载-位移曲线饱满，面积大，滞回曲线呈梭形，具有良好的吸能能力。

4.2 约束刚度和间隙对试件滞回性能的影响

试 件 MBRBs-1、MBRBs-2 和 试 件MBRBs-3 除约束钢管刚度和两管间间隙不同外，其它参数都相同，只是试件MBRBs-1、MBRBs-2 的约束刚度差别较大， MBRBs-3 约束刚度差别较小，从这三条曲线明显的看到：

（1）从滞回曲线的饱满程度来看，构件MBRBs-1 和MBRBs-2 的 滞 回 性 能 最 饱满， MBRBs-3 面积较小。从表1 可以看出，MBRBs-2 和MBRBs-1 的刚度刚度较大，说明刚度增大，导致当间隙都适当的情况下能得到较好的滞回性能。从图4（a）、（b）来看，滞回曲线的形状非常近似，面积相差不大，耗能性能相当。只有滞回曲线与X 轴的夹角不同，试件MBRBs-1 和MBRBs-2 大 于 试 件MBRBs-3，说明初始刚度不同，即证明了增设接触环之后使支撑的初始刚度增大。

（2）从滞回曲线发展趋势来看，曲线都比较稳定，试件没有出现明显的强度退化，刚度退化比较明显。主要原因在于增设接触环之后能够保证构件内核屈服并进入塑性阶段，刚度降低，但约束作用构件不会丧失承载能力。当外套管约束刚度较大和间隙适当时支撑的耗能能力越强。

（2） 从 构 件MBRBs-1 和MBRBs-3 的 滞回曲线（图4a～c）看到，当这两个构件的约束刚度相差较大，而间隙都相差不大时，表现出非常相似的滞回曲线，说明间隙起的作用要比刚度更加明显。

4.3 内核长细比对耗能性能的影响

通过对构件MBRBs-2 和MBRBs-3 的滞回曲线进行比较，当约束套管刚度相差不大时构件的滞回曲线形状相似，只是峰值不同。在约束刚度和间隙合理的情况下，初步表明这种约束屈曲支撑的内核长细比可以取较大的值，让内核管面积减小，更好地屈服耗能。

5 小结

通过对带五个接触环的三组双钢管约束屈曲支撑的试验研究，得出的主要结论有：

（1）带接触环的双钢管约束屈曲支撑构件，具有良好的吸能性能，且该支撑在受拉和受压时都可屈服，受压时性能较稳定。

（2）带接触环的双钢管约束屈曲支撑连接段更加可靠，破坏不会发生在连接段，且连接方便。

（3）试件的荷载-位移曲线饱满，呈梭形，面积大，具有良好的吸能能力。试验结果说明在受拉时的承载力略小于受压时的承载力。

（4）约束刚度、间隙都对支撑的滞回性能有显著影响。当约束刚度较大而间隙较小时滞回性能较好。

[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] 汪家铭，中岛正爱. 屈曲约束支撑体系的应用与研究进展（Ⅱ）[J].建筑钢结构进展，2005，7（2）：1-11.

[3] 曹资，薛素铎. 空间结构抗震理论与设计[M].北京：科学出版社，2005.刘建彬.防屈曲支撑及防屈曲支撑框架设计理论研究[D].北京：清华大学，2005.

[4] 殷占忠;王秀丽.带接触环的约束屈曲支撑有限元分析[J].兰州理工大学学报，2008，34（5）：122-126 .

[5] 王秀丽;陈祥勇; 殷占忠.约束屈曲支撑对K6 型球面网壳减震效果分析[J].甘肃科学学报，2007，19（1）：122-126.

[6] 王秀丽，陈明.一种适用于杆系结构的屈曲约束支撑的有限元分析[J].兰州理工大学学报，2007，33(3)：124-127.

[7] 建筑抗震试验方法规程（JGJ101-96）[S].北京：中国建筑工业出版社，1997.