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阅读 2112 次 新型防屈曲耗能支撑设计原理与性能研究

摘要:介绍防屈曲耗能支撑的构成和工作原理,归纳防屈曲耗能支撑的类型,分析现有防屈曲耗能支撑存在的不足,提出“核心单元局部削弱相当于其他部分加强”的新型防屈曲耗能支撑设计思想,给出“开孔式”和“开槽式”两种新型防屈曲耗能支撑设计方案。...

新型防屈曲耗能支撑设计原理与性能研究

周云 钱洪涛 褚洪民 邹征敏

广卅大学 广东广州510006

引言

    防屈曲耗能支撑由于具有性能稳定、减震效果显著、施工安装方便、经济等特点,从而成为目前研究和应用较多的耗能构件。特别是日本神户地震、美国北岭地震后,其在日本、美国、加拿大、我国台湾等地区都得到了较好的应用。目前,日本、台湾的一些制造商已在我国大陆开拓市场,但由于技术封锁或持技术而抬高售价,致使我国工程业主和技术人员难以接受,在国内应用迟缓。为了使这种减震技术尽快在我国得到应用,迫切需要开展这方面的技术开发与研究工作,特别是开发具有自主知识产权的实用新型防屈曲耗能支撑,并解决工程设计与应用中的关键问题。

    基于目前普通的防屈曲耗能支撑屈服位置难以确定导致其设计期望性能与实际工作性能不符、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、端部需要加强等不足,本文作者提出了核心单元局部削弱相当于其他部分加强的新型防屈曲耗能支撑设计思想,即通过局部削减防屈曲耗能支撑核心单元,使其有屈服段与非屈服段,屈服位置可以预先设定从而具有定点屈服的功能,改进了防屈曲耗能支撑的性能。这样设计的防屈曲耗能支撑可以避免端部加强及其带来的问题,而且加工简单,节约材料,从而有利于推广应用。基于此思想,本文作者提出了“开孔式”和“开槽式”两种新型防屈曲耗能支撑设计方案,设计了新型开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑和普通三重钢管防屈曲耗能支撑的模型,并对其进行了性能试验研究,通过对试验结果的对比分析,验证了此思想的可行性。

1、防屈曲耗能支撑的构成与类型

  1.1防屈曲耗能支撑的构成和原理

    防屈曲耗能支撑是一种受压时发生屈服而不发生屈曲的构件,其构造组成可从两方面来分析,即横向构成和纵向构成。横向构成主要由钢核心构件、外约束构件(钢管、混凝土等)和无黏结材料等三部分组成(1a);纵向构成分为5个部分3-(2):约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段、无黏结可膨胀材料和屈曲约束机构。其工作原理为:支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受,该芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能,而外围钢管和管内灌注的混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制,避免芯材受压时屈曲。由于泊松效应,芯材在受压情况下会膨胀,因此在芯材和砂浆之间设有一层无黏结材料(由橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等制成)或非常狭小的空气层,可以减小或消除芯材受轴力时传给砂浆或混凝土的力。

    防屈曲耗能支撑在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲,较之传统支撑构件具有更稳定的力学性能,经过合理设计的防屈曲耗能支撑可具有较高的刚度和良好的滞回耗能能力(1b),因此,防屈曲耗能支撑同时具有同心斜撑和滞回型耗能元件的优点,具有良好的应用价值。

 

(b)防屈曲耗能支撑和传统中心支撑的性能对比

1  防屈曲耗能支撑及其滞回曲线

 

2  防屈曲耗能支撑的纵向构成

  1.2防屈曲耗能支撑的类型

    防屈曲耗能支撑按约束单元外形不同,主要可分为两大类:一类是用钢管式混凝土或纯钢约束核心支撑的管式防屈曲耗能支撑(3);另一类是以墙板为约束单元的墙板式防屈曲耗能支撑(4)(即内藏钢板支撑)。管式防屈曲耗能支撑根据其截面形式不同、芯材材料不同以及有无无黏结材料等又可分为传统防屈曲耗能支撑、钢砂浆板防屈曲耗能支撑、低屈服点钢防屈曲耗能支撑、双截面防屈曲耗能支撑、强化式防屈曲耗能支撑、三重钢管防屈醢耗能支撑、四重钢管防屈曲耗能支撑等。

 

4内藏钢板支撑

  1.3防屈曲耗能支撑存在的问题

    防屈曲耗能支撑虽然种类和形式不同,但原理和构成基本一样,共同存在以下问题:

    (1)由于制造的误差,荷载的随机性,导致防屈曲耗能支撑在实际使用中屈服位置的随机性,使设计的期望性态与实际性态有出入,同时给分析和设计带来了困难。

    (2)需要进行端部加强,有的支撑的核心单元是由普通钢和低屈服点钢材焊接而成,致使支撑加工复杂和材料浪费;大多数支撑需要应用无黏结材料,致使支撑组件材料种类较多,导致设计时分析困难、元件加工制造及组装时质量及精度不易控制,且约束单元会产生滑动,影响防屈曲耗能支撑的整体抗震效果。

    (3)约束单元需要灌注砂浆,一般钢结构厂无法独立完成制作,且使支撑自重较大,限制了其在轻质钢结构中的应用,另外砂浆容易压碎破坏导致支撑发生局部屈曲。

    (4)由于现有防屈曲耗能支撑均是研究者自行研制,并申请了专利,许多性能参数、制造技术、分析方法均属保密,这一方面保护了知识产权,但另一方面也限制了该项技术的发展和推广使用;我国目前具有自主知识产权且性能良好的防屈曲耗能支撑不多,且具体设计参数以及设计方法均没有详细规定。

2、新型防屈曲耗能支撑设计的原理与方案

    基于以上防屈曲耗能支撑存在的问题,本文作者提出核心单元局部削弱相当于其他部分加强的新型防屈曲耗能支撑设计思想,即通过局部削减防屈曲耗能支撑核心单元,使其有屈服段与非屈服段,屈服位置可以预先设定从而具有定点屈服的功能,改进了防屈曲耗能支撑的性能。局部削弱方式有多种,如开槽式、开孔式等,每种削弱方式又可分为一处削弱和多处削弱等。图5~图8是几种常见核心单元的局部削弱方式的效果图。

 

  按核心单元局部削弱设计思想设计的防屈曲耗能支撑有以下优点:

    (1)核心单元经局部削弱后,在工作中当受到的拉力和压力达到削弱部位的屈服强度时该部位将率先进入屈服耗能状态耗散地震能量,若拉力和压力继续增大,屈服区域将会扩展,直至核心单元全截面屈服,这就实现了由同种材料制成的核心单元具有了屈服段与非屈服段,避免了使用低屈服点钢,同时避免了核心单元使用低屈服点钢与普通钢时的焊接工序及其带来的问题。

    (2)由于核心单元的屈服首先发生在局部削弱部位,即通过局部削弱使核心单元实现定点屈服,这非常有利于核心单元的设计。

    (3)核心单元削弱后,其承载力略微有所下降,根据的相对性,这相当于加强了耗能支撑非约束屈服段的强度,这样便不需要对支撑端部进行额外加强,避免了端部加强所引起的问题。 

    (4)当采用多处相同尺寸局部削弱时,可实现多处同时屈服耗能,这样便可充分利用材料,提高核心单元的耗能效率。

3、开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑设计与性能研究

  3.1试件设计

    为了检验防屈曲耗能支撑核心单元局部削弱相当于其他部分加强设计思想的可行性,本文作者设计了一种开孔式三重钢管耗能支撑,其构造如图9所示,它由核心钢管、外约束钢管、内约束钢管以及核心钢管两端的连接部件组成。核心钢管包括连接段(不开孔部位)和耗能段(开孔部位),内、外约束钢管起防止核心钢管屈曲及因屈服而导致的支撑承载力下降的作用,还可以解决核心钢管应力集中现象。为了对比开孔对支撑性能的影响,本文还设计了一组不开孔支撑,故本次试验共有两组试件,其中不开孔的3个试件、开孔的4个试件。试件编号分别为B-I(Ⅱ、III)KB—I(Ⅱ、IIlIV)。其中B.I(Ⅱ、III)KB-I(Ⅱ、Ⅲ、IV)试验体编号意义:B为普通防屈曲耗能支撑;KB为开孔式防屈曲耗能支撑;I、Ⅱ、Ⅲ、IV为一组4个试件编号。本文试验取核心钢管与内、外约束钢管的空隙为0。试件B-I(Ⅱ、III)的尺寸和材料如表l所示,其中,材料型号由材料试验确定。开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑试件与不开孔的三重钢管防屈曲耗能支撑试件的尺寸和材料相同,两者区别就是前者核心单元开长条孔,开孔形状和尺寸如图10所示。

1 B-(Ⅱ、Ⅲ)试件尺寸及材料

外直径(mm)

厚度(mm)

长度(1nm)

材料

内约束管Q235

l6

2

440

核心钢管Q235

20

2

455

外约束管Q235

24

2

400

 

  3.2试验加载系统

    试验加载系统由试验架、作动器、支撑底座等组成。试验架为门字型自平衡受力系统,沿横向加载,加载系统实拍照片如图ll所示。试验所用加载设备是从北京三强同维机电液压科技发展有限公司引人的数字控制结构实验加载设备,其为计算机控制的电动伺服加载系统(可以扩展),包括控制计算机、控制器、加载作动器、加载控制软件和数据采集软件等。加载作动器出力50kN、行程+/-200mm。作动器实物照片如图l2所示。

  3.3试验加载制度

    本试验采用美国《钢结构建筑抗震设计规定》(ANSl/AISC341--05)所建议的加载历程,采用位移控制,对这两种支撑进行了标准加载试验。本标准加载试验可分为五个步骤,即先后对应于b=byb=050bmb=1bm b=15bmb=20bm 时分别两周加载,其中:by为第一个屈服点的轴向变形值,bm相应于设计层间时的变形值,本文取bm]4byby由试验前的材料试验所得。

  3.4主要试验结果

    通过试验,得到各个支撑试件的滞回曲线如图13~图l9所示。图20为核心单元开孔与不开孔试件所得滞回曲线对比图。图21和图22分别是试验后普通三重钢管和开孔式三重钢管耗能支撑的端部情况,其中普通三重钢管端部加强了,开孔式三重钢管的端部没有加强,两者在试验中都没有破坏。

 

  3.5试验结果分析

  3.5.1滞回耗能特性

  通过试验研究可以发现,两种支撑的滞回曲线全程饱满,加载位移相同的滞回曲线几乎重合,最大拉压承载力相差不大(最大相差l344),滞回圈有相当良好的对称性,规律性好,无强度退化现象,屈服后强度稳定增加。通过分析与比较,可以得出以下结论:

  (1)普通三重钢管防屈曲耗能支撑和开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑都有较好的滞回耗能能力。 

  (2)开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑端部并没有进行强化处理,但试验结果证明了其端部的稳定性:开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑通过核心单元开孔使防屈曲耗能支撑屈服位置可以预先没定,即达到定点屈服功能,实现了同种材料核心单元具有了屈服段和非屈服段,避免了普通三重钢管耗能支撑由于端部加强或核心单元由普通钢材和低屈服点钢材制成的钢管的焊接工序而造成的加工困难和材料浪费等问题。

    (3)观察滞回曲线对比图20可以发现三重钢管防屈曲耗能支撑试件核心单元开孔之后,屈服荷载和屈服位移都略有降低;观察图21和图22可以发现,图21所示不开孔支撑核心钢管端部有油漆松动脱落,说明核心钢管连接段发生了变形,而图22所示开孔构件核心钢管端部油漆完好无损,说明其连接段未发生变形,由此说明开孔核心单元具有由低屈服点钢材制成的核心单元的功能。

  3.5.2耗能系数与等效黏滞阻尼比

    根据我国《建筑抗震试验方法规程》(JGJl01—96)耗能系数的定义,求得试验中两种系列防屈曲耗能支撑的耗能系数,如表2所示。

  从表2中可以看出,三重钢管防屈曲耗能支撑具有稳定的耗能系数,本文研究的开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑耗能系数均略大于普通三重钢管防屈曲耗能支撑的耗能系数。

2试验试件耗能系数

型号

耗能系数

平均值

B—I

2.2631

0

B—

2.1512

2.1791

B—

2.1249

0

KB—I

2.4370

0

KB—

2.2634

2.3442

KB—

2.2222

0

KB—IV

2.4462

0

    等效黏滞阻尼比是抗震减震结构技术的一个重要物理量,是对非线性结构进行等效线性计算时采用的、反映构件或结构耗能能力大小的一个关键参数。确定等效黏滞阻尼比最普遍的方法是利用非弹性体系的滞回耗能与等效线性体系的耗能相等的原则,基于这一概念,等效阻尼比可表示为:

 

  式中:ED为非线性体系所耗散的能量,即图23中滞回曲线所包围的面积SABCDEs为等效线性体系的应变能,即图23SOBE面积。

 

23滞回曲线示意图

    为区别支撑试件在拉、压受力下阻尼比的特点,取加载试验的最后加载圈(第五圈)的滞回曲线的上下半圈分别进行统计计算,采用式(2)计算等效黏滞阻尼比:

  由式(2)计算试验试件等效黏滞阻尼比值如表3所示。

    从表中可以看出,三重钢管防屈曲耗能支撑的等效黏滞阻尼比都比较大,本文研究的开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑的等效黏滞阻尼比略大于普通三重钢管防屈曲耗能支撑。

3试验试件黏滞阻尼比

 

4、结论

  本文提出了核心单元局部削弱相当于其他部分加强的新型防屈曲耗能支撑设计思想,给出了开孔式开槽式两种削弱方式,并设计了新型开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑模型和普通三重钢管防屈曲耗能支撑模型。通过对两种模型的循环加载试验研究,对比研究了这两种防屈曲耗能支撑的性能。试验研究结果表明,在相同条件下,开孔式防屈曲耗能支撑的耗能能力、等效黏滞阻尼比、耗能系数与普通三重钢管防屈曲耗能支撑相比相差不大,但是开孔式防屈曲耗能支撑可以避免普通三重钢管防屈曲耗能支撑端部需要加强、加工复杂等不足,说明本文提出的防屈曲耗能支撑“核心单元局部削弱相当于其他部分加强”的设计思想是可行的,通过核心单元局部削弱的方式来改进耗能支撑的抗震性能是非常有效的。

参考文献

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[8]周云.黏滞阻尼减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2006

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:温红娟  刘红娟  尹维维 编辑 文径 审核)

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