频率效应对屈曲约束支撑耗能性能的影响

谢志秦

(西安职业技术学院,陕西 西安 710000)

1 研究背景

屈曲约束支撑是一种于受拉与受压时均能屈服但不屈曲的轴力构件,力学行为稳定,具有优良的抗疲劳性质,因此具备消能构件的功能。近年来,试验证实,屈曲约束支撑不仅可以有效提升结构的整体的刚度又可吸收地震力的能量,并且其可改善传统支撑可能于侧向产生屈曲的缺点具有良好的消能机制。

由于我国针对屈曲约束支撑的研究较晚,但是进展很快,前期工程中使用的屈曲约束支撑部分依赖进口,工程造价相对较高,近年国内针对屈曲约束支撑的研究内容主要是以我国的国情为出发点,提出新型式的具有良好耗能性能的屈曲约束支撑 ,如同济大学李国强等提出了各种样式的屈曲约束支撑并申请成专利[1]。

2 研究内容

地震力作用于建筑结构时候,由于屈曲约束支撑要在建筑构件屈服前先发生屈服,消耗传入结构的地震能量,钢材的性能直接影响建筑物的抗震性能。在屈曲约束支撑进行设计时,支撑的屈服位移是很重要的设计参数。所以以往在屈曲约束支撑进行测试时,加载过程主要采用位移控制,加载制度主要采用的是美国钢结构协会(AISC)于2010年颁布的钢结构抗震规范规定的屈曲约束支撑的加载历程[2],其中关于测试时的加载速率并未做相关的规定,目前国内外在做关于支撑测试时均采用加载速率为恒定速率,一般取0.05mm/s左右[3],加载过程比较缓慢。但是在实际地震过程中,支撑在地震力作用下的变形速率远大于0.05mm/s,且速率不恒定。

根据先前的试验过程发现,在屈曲约束支撑测试过程中,即支撑已经屈服但未破坏时,暂停加载一段时间后继续加载至完全破坏,该支撑的累积非弹性变形量远高于持续加载至完全破坏时的累积非弹性变形量[4]。在停止加载期间,主受力单元消能段变形产生的热量可以完全消散,结构晶体重组,进而提高支撑耗能能力。在持续加载过程中,消能段在变形过程中产生的热量部分可以及时的消散,但是仍有部分热量未能消散进而可能会对支撑的耗能性能产生影响。

在实际地震大速率作用下,消能段变形其结构内部产生的热量不能够及时消散出去时,屈曲约束支撑的性能可能不满足规定要求达到抗震耗能的目的,且钢结构的设计标准是在材料静强度指标下建立,所以采用钢材的静强度分析屈曲约束支撑的耗能存在一些弊端。文章针对大部分屈曲约束支撑使用的材料Q235钢材,分析频率效应对钢材效应的影响。

四川大学王睿东[5]使用酒泉钢铁集团生产的250mm厚Q235低碳钢材进行了低周、超低周及高频率试验疲劳行为进行了研究。在常温下使用岛津电液伺服疲劳试验机进行低周疲劳测试,测试时应变速率为0.005s^(-1),单项应变幅值Δε分别取0.3%,0.4%,0.6%,0.7%和0.8%六组。同样在常温下采用微机控制高频试验机进行高频试验,在此过程中试件所受荷载为F=F0+Fasin(2πf), f为谐振频率,F0为静荷载,Fa为动荷载。

两组的试验结果可以看出,由于在高频作用下,材料变形来不及响应即时的应力,每次加载时材料破坏程度也相对较小,材料的强度在一定范围内有所提高。且从材料本身的组织结构来看,由于不同的晶体结构可动滑移的个数不同,应变速率的变化导致位错运动和位错结构存在不同,应变速率的增加,材料的屈服强度随之增加,但是断裂韧度下降。而材料的疲劳性能与断裂韧度和屈服强度均相关。总体来说高频率荷载作用下,材料的疲劳寿命也越长。

从两组试验试件的断口可知,低周试验中,裂纹由表面晶体错位引起,高频实验的破坏由内部杂物引起的裂纹,但两者的破坏表象均为疲劳破坏,因此加载频率的不同对试件的破坏形式没有影响。

3 结语

文章通过探讨屈曲约束支撑的实际受力状态,对钢材在不同频率作用下的疲劳特性及破坏特性进行分析,加载频率的增加,材料的疲劳寿命有所提高,起破坏形式均为疲劳破坏。具体的破坏形式主要与材料本身和加载应力、疲劳寿命有关,与频率没有相关性。