轴压荷载下带延性铸造连接件的防屈曲支撑的力学性能

殷占忠,张宪栋

(1.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 730050)

防屈曲支撑的研究始于20世纪70年代的日本[1-3].作为框架结构主要的抗侧力构件和耗能单元，一直是国际地震工程领域的重要研究点之一.1988年Fujimoto等[4]提出双钢管支撑，并进行大量试验研究，认为在单向荷载作用下，当外围约束钢管的弹性屈服强度与内核钢管的屈服强度满足一定的关系时，支撑具有更好的耗能性能.我国学者对防屈曲支撑的研究始于2000年左右.2005年，郭彦林等[5]分析了防屈曲支撑的构造和受力机理.2013年，郭彦林等[6]对刚接防屈曲支撑的抗震性能进行了分析，认为刚接防屈曲支撑能有效防止内核构件侧向变形，但是防屈曲支撑作为主要的耗能元件在较大荷载作用下仍会屈服破坏.同年，吴徽等[7]对作为可替换耗能元件的防屈曲支撑抗震性能进行了试验研究，得到防屈曲支撑作为结构的主要耗能元件，能实现第一道抗震设防的目标，但是对于防屈曲支撑耗能之后剩余延性是否满足要求尚没有明确界定.2016年，李援越[8]发现约束屈曲支撑芯材的延性系数越高，支撑的累积塑性变形率越大，耗能能力越好.

综上所述，传统的防屈曲支撑作为第一道耗能元件，在充分发挥耗能能力之后容易发生屈曲破坏.殷占忠[9-10]等提出了带延性铸造连接件的防屈曲支撑，并进行试验研究.试验通过合理的截面设计，将结构的非弹性变形限制在延性铸造连接件上，保证支撑不会发生脆性开裂或低周疲劳破坏，从而有效缓解梁柱节点的应力分布，提高结构的承载能力.

1 试验概况

1.1 试件设计

试件以跨度6 m，层高3.6 m的单层钢框架结构为原型，支撑截面尺寸为φ121×5.5 mm.防屈曲支撑主要构造为内核管、接触环与外套管，支撑选用无缝钢管，铸造连接件采用砂模铸造工艺，避免了因焊接产生的残余应力，具有更好的耗能能力.带延性铸造件的防屈曲支撑如图1和图2所示.具体参数见表1和表2.

表1 防屈曲支撑截面设计参数Tab.1 Design parameters of Anti-buckling Support Section

表2 铸造连接件参数Tab.2 Casting connector parameters mm

图1 带铸造连接件的防屈曲支撑 Fig.1 Buckling restrained brace with ductile casting connectors

图2 防屈曲支撑设计Fig.2 Design drawing of buckling-restrained brace

1.2 材料性能

试件钢材采用牌号为Q235B的钢材，对钢材标准试件进行材性试验，得到钢材的屈服强度fy，极限强度fu，弹性模量E，伸长率δ；试验结果见表3.

表3 材料材性参数Tab.3 Material parameters

1.3 加载装置与测量方案

试验采用液压千斤顶进行竖直单向轴压加载，采用位移加载控制，直至试件发生破坏，加载停止.为避免带延性铸造连接件的防屈曲支撑的偏心受压，试件四周布置侧向支撑，以减小支撑的平面外侧移.加载装置由竖向门式加载架、液压千斤顶、直角支座和钢性底座组成，如图3所示.由于延性铸造连接件是主要的耗能元件，延性铸造连接件上布置较多的应变片，具体布置如图4所示.

图3 试验加载装置Fig.3 Test setup

图4 应变片布置(mm)Fig.4 Strain gauge layout(mm)

2 试验现象与结果分析

2.1 试验现象

位移加载的前3 mm，不同参数的试件均无明显变化；随着位移的增大，试件进入塑性阶段，CBRB-1、CBRB-2和CBRB-3铸造连接件耗能段、连接段和过渡段出现不同程度的漆皮鼓起剥落，其中耗能段的加劲肋上率先出现细小裂纹，裂纹随位移的增大而逐渐增多，CBRB-4和CBRB-5耗能段出现细小裂纹的时间略晚于CBRB-1、CBRB-2和CBRB-3；位移加载至13 mm时，CBRB-1、CBRB-2和CBRB-3耗能段出现轻微裂缝，连接段和过渡段出现裂纹，铸造连接件发生屈曲破坏，试件的承载力明显降低，如图5.位移加载至16 mm时，CBRB-4和CBRB-5的连接段和过渡段的漆皮脱落，耗能段裂纹加剧，但未发现明显裂缝，如图6.说明铸造连接件耗能段的截面尺寸对试件的承载力影响较大.

图5 CBRB-1破坏现象Fig.5 Damage phenomenon of CBRB-1

图6 CBRB-4破坏现象Fig.6 Damage phenomenon of CBRB-4

由试验现象可知，带延性铸造连接件的防屈曲支撑破坏模式为：铸造连接件的耗能段率先屈服，接着是连接段和过渡段，最后是防屈曲支撑的局部屈服.随着位移增大，铸造连接件发生非弹性变形而屈曲破坏，试件承载力下降.因此，铸造连接件耗能段的长度、截面尺寸等参数对试件的承载力具有重要的影响.

2.2 荷载位移曲线

如图7所示，5个试件的荷载位移曲线趋势大致相同，均包含弹性段、塑性段及下降段.由曲线可以看出：在弹性阶段，荷载位移曲线基本呈一条直线，直至达到屈服荷载后构件进入塑性阶段；在塑性阶段，铸造连接件耗能段充分发挥耗能性能，荷载随位移增长速度减慢.塑性阶段的位移由卸载后可以完全恢复的弹性变形及卸载后部分不能恢复的塑性变形两部分组成.达到极限荷载以后，试件进入下降阶段，下降阶段斜率较大，承载力迅速下降.

图7 荷载-位移曲线Fig.7 Load-Displacement curve

根据《建筑抗震设计规范》GB50011—2010中关于多、高层建筑在多遇及罕遇地震下弹性层间位移角和弹塑性层间位移角限值的规定，由荷载-位移曲线可知，位移为2.5 mm时，带延性铸造连接件的防屈曲支撑处于弹性阶段，位移为11.6 mm时，试件处于塑性耗能阶段，满足支撑在弹性和弹塑性层间位移角的变形要求.

2.2.1承载能力

CBRB-4与CBRB-5为耗能段长度不同的两组试件.CBRB-5比CBRB-4的屈服承载力和极限承载力分别增加了11%和9.2%，可知铸造连接件的加劲肋及耗能板宽厚比相同时，在满足构造要求的前提下，耗能段长度越大，试件的极限承载力越大.

CBRB-1与CBRB-2为耗能板宽厚比不同的试件，CBRB-2比CBRB-1的屈服承载力和极限承载力分别增加了7.1%和1.8%，表明：铸造连接件的耗能段长度、加劲肋宽厚比相同时，在满足构造要求的前提下，耗能板的宽厚比越大，试件的承载力越高.

CBRB-2和CBRB-3为加劲肋宽厚比不同的两组试件.CBRB-2和CBRB-3的屈服承载力和极限承载力相差很小，表明：铸造连接件的耗能段长度、耗能板宽厚比相同时，加劲肋宽厚比的变化对试件极限荷载的影响不大.

延性铸造连接件耗能段的截面尺寸及长度是构件抗震性能的重要影响因素，铸造件长度相同时，铸造件耗能段的截面尺寸越大，试件的承载力越高；铸造件的截面尺寸相同时，铸造件耗能段的长度越长，试件承载力越高，耗能性能越好.

2.2.2延性分析

延性是指：在荷载作用下，结构在达到屈服后至出现破坏之前所具有的变形能力.结构的延性越好，塑性变形能力越强.结构的延性可以通过延性系数uΔ来反应.即：

式中：Δu为极限位移；Δy为屈服位移.

试件的延性系数均不小于2.9，说明试件具有良好的延性和塑性变形能力.

CBRB-1与CBRB-2为铸造连接件的耗能段长度、加劲肋宽厚比相同，耗能板宽厚比不同的试件，CBRB-1的延性系数比 CBRB-2减小了8.8%.说明：铸造连接件的耗能段长度、加劲肋宽厚比相同时，耗能板的宽厚比越大，试件的延性系数越小.

对比铸造连接件耗能段长度不同的试件CBRB-4与CBRB-5，发现铸造连接件的耗能板及加劲肋的宽厚比相同时，耗能段长度变化对试件的延性无明显影响.

2.2.3初始刚度

由表4中的数据可以看出：1) 试件的初始刚度均大于80 kN/mm，试件抵抗初始变形的能力较强.2) 试验过程中，防屈曲支撑与铸造连接件连接部位存在间隙，间隙成为位移加载的一部分，因此试件初始刚度略有降低.综上，带延性铸造连接件的防屈曲支撑的初始刚度较大，构件具有良好的承载能力及稳定性.

表4 试件的力学性能Tab.4 Mechanical properties of specimens

2.3 应力分析

由图8可知，加载初期，铸造连接件及防屈曲支撑均处于弹性阶段，铸造连接件应力大于防屈曲支撑应力，铸造连接件耗能段的应力略大于连接段和过渡段的应力.随着位移的增大，铸造连接件耗能段率先屈服，构件进入塑性阶段，铸造连接件耗能段发生非弹性变形，耗散能量；防屈曲支撑内核管仍处于弹性状态，即将达到屈服应力.随着位移的增大，铸造连接件的耗能段全部进入塑性耗能状态，连接段及过渡段均发生非弹性变形，耗散能量，但连接段和过渡段的应力相差不大.铸造连接件耗能段达到极限荷载时，连接段及过渡段均接近极限荷载，防屈曲支撑内核管应力超过屈服荷载，发生非弹性变形.综上，带延性铸造件的防屈曲支撑具有良好的耗能能力，连接段和过渡段能够实现荷载的稳定传递，避免了梁柱节点的脆性破坏，提高了结构的抗震能力.

图8 CBRB-4部件应力Fig.8 Stress values of CBRB-4

试件的变形与应力分布一致，变形主要集中在延性铸造连接件上.轴压加载时，铸造连接件耗能段先屈服；防屈曲支撑内核管无明显变化.随着位移的增大，铸造连接件耗能段局部屈曲，且截面加劲肋及耗能板两个方向出现明显的变形；防屈曲支撑内核管部位的应力超过了材料的屈服应力，但防屈曲支撑未产生屈曲变形.试件破坏时，CBRB-2、CBRB-3的延性铸造连接件绕弱轴发生弯曲程度较大，CBRB-1的延性铸造连接件弯曲程度较小，对比发现：加劲肋的宽厚比越大，试件受压弯曲的程度越小，越不容易发生弯曲屈曲.

3 结论

本文对5个带延性铸造连接件的防屈曲支撑试件进行轴压加载试验，对其承载力、变形、延性及刚度进行分析，得到如下主要结论：

1) 带延性铸造连接件的防屈曲支撑试件有明显的三个阶段：弹性阶段、塑性阶段和下降阶段.试件具有良好的初始刚度和承载力，并且其承载力随铸造连接件耗能段长度和宽厚比的增大而有明显增长.

2) 试件的非弹性变形主要集中在铸造连接件上，体现了铸造连接件良好的延性和塑性变形能力，能够满足《建筑抗震设计规范》中在罕遇地震下弹塑性层间位移角限值1/50的规定.这种新型支撑能够有效缩短破坏检查的时间，保护结构其余构件安全，进而提高结构抗震性态水准.

3) 带延性铸造连接件的防屈曲支撑的破坏模式表现为：铸造连接件的耗能段率先屈服，接着是连接段和过渡段，最后是防屈曲支撑的局部屈服；随着位移增大，铸造连接件发生非弹性变形而屈曲破坏，试件承载力下降.