屈曲約束支撐的研究

地震作為突發(fā)性強，破壞力大的自然災(zāi)害之一，會在短期內(nèi)造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。大量建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞甚至倒塌，嚴重危及人們的生命財產(chǎn)安全。因此必須對建筑物進行抗震設(shè)計和加固。傳統(tǒng)的抗震體系基于延性設(shè)計，通過增大構(gòu)件截面尺寸，延緩塑性鉸的出現(xiàn)等方式進行抗震設(shè)計。但是在許多大震現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計存在很多問題，比如在設(shè)計初期允許結(jié)構(gòu)損壞，雖然能夠起到一定的抗震作用，但是地震后結(jié)構(gòu)損壞嚴重，難以修復(fù)。同時在地震下，許多設(shè)備喪失功能，造成城市癱瘓，醫(yī)院、學(xué)校、指揮中心、網(wǎng)絡(luò)等無法啟用，嚴重影響城市運作?，F(xiàn)代的城市建設(shè)對減震防災(zāi)技術(shù)有了新的要求，要求建筑物中震不壞，大震可修，巨震不倒，形成雙保護要求，滿足韌性城市規(guī)劃。目前，防震減災(zāi)科技發(fā)生較大變化，由硬“抗”震的傳統(tǒng)抗震體系轉(zhuǎn)變?yōu)榻?0年來柔“減”震的減震控制體系。其中防屈曲支撐是目前我國應(yīng)用較多的減震產(chǎn)品之一，具有拉壓受力均等，承載力高，延性性能好，耗能能力優(yōu)良等優(yōu)點?；诖藦腂RB結(jié)構(gòu)形式、BRB框架結(jié)構(gòu)以及適用于BRB結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法3個方面進行綜述。1?BRB形式的研究1.1?BRB的結(jié)構(gòu)形式屈曲約束支撐是一種新型的鋼支撐形式，由三部分組成，內(nèi)核芯板，外部套管和中間的填充材料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)核芯板有多種形式，一字形、十字形、H形、裝配式等；外部套管也有很多樣式，方形、圓形等，外部套管的約束作用使得內(nèi)核芯板在受壓時不發(fā)生屈曲而達到全截面屈服，從而可以充分利用材料性能，這一點正是屈曲約束支撐與普通支撐的本質(zhì)差別。傳統(tǒng)的填充材料為混凝土或砂漿，但難以擺脫混凝土自重大的缺點。目前常用的為橡膠或硅膠層，填充材料的作用是保證內(nèi)核芯板與外部套管的相對運動。圖1?屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)形式示意內(nèi)核芯板、外部套管、填充材料三部分的共同作用，使得屈曲約束支撐不僅能夠提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，還具有良好的滯回耗能能力，在地震作用下有良好的消能減震作用。根據(jù)BRB的作用不同，可以將BRB分為兩類，一類為承載型BRB，主要是改善結(jié)構(gòu)的承載能力，提供抗側(cè)剛度；另一類是耗能型，在反復(fù)荷載作用下仍然能夠提供足夠的剛度和承載力。1.2?內(nèi)核芯板的研究內(nèi)核芯板是主要的耗能構(gòu)件。傳統(tǒng)的屈曲約束支撐內(nèi)核芯板多為一字形或十字形，一字形結(jié)構(gòu)簡單，但受壓容易產(chǎn)生多波屈曲現(xiàn)象，從而增大與外部套管之間的摩擦力；十字形芯板具有雙軸對稱性的特點，不易產(chǎn)生多波屈曲，摩擦力也相對較小。Nakamura等的研究表明十字形芯板和一字形芯板相比有較低的低周疲勞性能，并更容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。賈明明等通過試驗得出一字形比十字形截面的試件滯回性能更好的結(jié)論。而王永貴等通過在試驗中安裝防扭轉(zhuǎn)裝置，發(fā)現(xiàn)芯材截面形式（十字形、T字形和一字形）對BRB的滯回性能和破壞形態(tài)沒有影響。由于十字形內(nèi)芯多采用焊接方式，將兩塊鋼板焊接為十字形，在焊接部位會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低試件低周疲勞性能。張文鑫通過對十字芯采用非連續(xù)焊接方式，并進行擬靜力試驗，發(fā)現(xiàn)焊接方式對十字芯BRB失效模式和核心單元的彎曲變形模式有較大的影響。為了改變焊接帶來的殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，郭立行采用4根角鋼拼接成無焊十字形截面，通過試驗得出其具有較好的低周疲勞性能，有效避免焊接殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。在加載循環(huán)過程中，拼接角鋼不會同時斷裂而是分段斷裂，表現(xiàn)出了良好的分階段延性特性。內(nèi)核芯板的材料性能會對BRB的破壞性能產(chǎn)生不同程度的影響，鋼板屈服點的高低直接影響試件低周疲勞性能和滯回耗能能力。嚴紅比較了一字形全鋼BRB兩種不同的內(nèi)核芯材LY?225和SN?490，發(fā)現(xiàn)采用LY?225材料的內(nèi)核芯材低周疲勞性能和塑性變形能力要比SN?490芯材的好，兩種不同材料的破壞形態(tài)不同，LY?225為中部疲勞斷裂的延性破壞而SN?490為端部加勁肋處的脆性破壞。陳洪劍等對雙屈服點一字形全鋼BRB進行數(shù)值模擬，該構(gòu)件采用兩塊低屈服點鋼LY?100和一塊高屈服點鋼SN?490重疊制成，研究表明，構(gòu)件滯回曲線飽滿穩(wěn)定，在設(shè)防烈度下LY?100屈服耗能，SN?490保持彈性提供側(cè)向支撐，在罕遇地震下兩種鋼均屈服耗能，能夠適應(yīng)不同等級的水平地震作用。史慶軒等對全鋼裝配式屈曲約束支撐進行數(shù)值模擬，芯材采用一字形低屈服點鋼，研究表明，芯材的寬厚比、間后比對試件滯回性能影響很大，弱軸方向長細比越小，試件進入塑性越快。楊璐等對十字形低屈服點LY?315鋼為內(nèi)芯的全鋼裝配式BRB進行軸壓往復(fù)試驗研究，發(fā)現(xiàn)采用LY?315鋼材能夠有效防止過早屈曲，力學(xué)性能穩(wěn)定，且試件滯回曲線飽滿，耗能能力良好。通過在內(nèi)核芯板開孔，人為施加薄弱點，可以控制屈服位置。周云等和霍林生等分別對一字形內(nèi)核芯材和雙鋁管BRB進行開孔處理，核心單元率先在開孔位置屈服，實現(xiàn)了BRB內(nèi)核芯板定點屈服耗能。李幗昌等對于內(nèi)核芯板的開孔方式做進一步研究，發(fā)現(xiàn)支撐耗能能力隨核心單元橫向開孔率減小而提高，隨縱向開孔率增加而提高，雙排開孔比單排開孔耗能性能略有提升。1.3?填充材料的研究內(nèi)核芯板和外部套管之間的填充對于BRB性能產(chǎn)生很大的影響，主要影響因素是間隙的大小以及摩擦力的大小。BRB受壓時，由于內(nèi)核芯板產(chǎn)生屈曲變形，會在幅值處與外部套管接觸，在外力的作用下內(nèi)核芯板與外部套管之間產(chǎn)生摩擦力，造成約束構(gòu)件也承受一定的軸力。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)間隙的大小會影響摩擦力的大小，隨著間隙增大，摩擦力也相應(yīng)增大。而間隙太大支撐不能發(fā)生高階屈曲模態(tài)，內(nèi)核變化的幅值較大，影響屈服性能和疲勞性能，間隙太小支撐內(nèi)核膨脹受限，填充混凝土內(nèi)力會急劇增大。陳煜通過有限元ANSYS軟件研究了摩擦力對于BRB滯回性能的影響，當沒有摩擦力時，構(gòu)件滯回曲線飽滿，隨著摩擦力的增大，滯回曲線面積縮小，耗能能力降低，因此得出結(jié)論，摩擦力破壞了支撐的耗能能力。當采用無粘結(jié)材料作為填充間隙時，BRB構(gòu)件能夠具有良好的滯回性能和抗疲勞性能，且無粘結(jié)材料能夠有效減小核心與外圍之間的摩擦力。1.4?外部套管的研究外部套管能夠有效地限制內(nèi)核芯板的變形，使之產(chǎn)生高階屈曲模態(tài)，有利于內(nèi)核芯板發(fā)生屈曲，避免其發(fā)生失穩(wěn)破壞。通過改變外部套管的材料組成、截面形式、組裝方式、布置位置可以提高構(gòu)件的軸壓性能和滯回性能。傳統(tǒng)的外部套管多為鋼管混凝土或鋼筋混凝土，自重大，不利于加工。目前多采用拼裝等形式，自重輕，安裝方便，結(jié)構(gòu)形式逐漸由一體化形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧冧摌?gòu)造。郭彥林等用高強螺栓把4個外圍約束角鋼連接成為整體，形成四角剛組合約束機制，并對其進行軸壓循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的承載力主要取決于BRB的約束比。丁婷等通過在外套桶內(nèi)壁設(shè)置不同形式的加勁管形成新型外圍約束機制，增強了支撐抗側(cè)剛度，有效約束內(nèi)核芯板的側(cè)向變形，且通過試驗發(fā)現(xiàn)縱向加勁方式比橫向加勁方式的受力性能更好。呂磊等對比了外部套管不同位置下的抗震性能，將圓鋼管約束機制分別放在圓鋼管芯材外圍和內(nèi)部，形成外約束和內(nèi)約束，通過擬靜力試驗，發(fā)現(xiàn)外約束的滯回性能明顯好于內(nèi)約束，且內(nèi)約束更易發(fā)生整體失穩(wěn)。Mohamad等研究了外部約束套管不連續(xù)設(shè)置下方形和十字形內(nèi)芯，確定了約束之間的適合距離，同時可以減輕材料自重，研究發(fā)現(xiàn)，十字芯構(gòu)件可以減少砂漿用量高達64?%。郭彥林等等提出了一種預(yù)應(yīng)力索撐形防屈曲支撐構(gòu)件，通過引入索撐體系增大外圍約束構(gòu)件的抗彎剛度。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力索撐形防屈曲支撐可有效提高外圍約束構(gòu)件的約束能力。1.5?自復(fù)位屈曲約束支撐的研究防屈曲支撐的耗能能力強，能夠有效地降低地震對于建筑物的損傷，但是屈服后剛度比較小，沒有復(fù)位能力，震后一旦產(chǎn)生殘余變形，結(jié)構(gòu)難以恢復(fù)到初始狀態(tài)，需要更換BRB才能保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，而BRB的更換復(fù)雜且成本較高，因此，實現(xiàn)防屈曲支撐的自復(fù)位功能成為當前研究的熱點。目前主要有3種方式實現(xiàn)BRB的自復(fù)位能力。第一種是形狀記憶合金，這種材料對于形狀有記憶功能，通過控制溫度條件可以使得結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來形狀，同時形狀記憶合金能夠吸收一定的能量，有著良好的阻尼能力，且隨著形狀記憶合金直徑的增大耗能能力也隨之增大。Zhu等將形狀記憶合金運用于摩擦型耗能裝置中，獲得了較好的自復(fù)位能力。Miller等采用大直徑形狀記憶合金提供自恢復(fù)力，將其與BRB結(jié)合，形成自復(fù)位BRB裝置，滿足大變形自恢復(fù)的同時還能提供一定的耗能能力。劉韋華對一種新型SMA絞線–屈曲約束支撐進行研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的耗能能力和自復(fù)位能力，將這種BRB應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中能夠減小結(jié)構(gòu)的頂層位移響應(yīng)和層間位移角，具有明顯的減震效果。其次是預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋是一種很好的復(fù)位材料，不管支撐受拉還是受壓，預(yù)應(yīng)力筋始終處于伸長狀態(tài)。有學(xué)者在H型鋼BRB中加入預(yù)應(yīng)力索，采用高強螺栓裝配，構(gòu)造簡單，且耗能能力和自復(fù)位能力較好。王海深等設(shè)計了一種三套管自復(fù)位屈曲約束支撐裝置，在內(nèi)外套管之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，這種設(shè)計可在變形不超過支撐長度的1/200范圍內(nèi)較好工作。劉璐等采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為復(fù)位材料應(yīng)用于BRB中，結(jié)果表明自復(fù)位屈曲約束支撐基本上消除了防屈曲支撐的殘余變形，當預(yù)應(yīng)力與耗能內(nèi)芯的回復(fù)力相等時，達到最優(yōu)配置；但自復(fù)位BRB軸向變形能力受到預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性變形極限的限定。為了克服上述的限制，曾鵬等設(shè)計了一種串聯(lián)兩束預(yù)應(yīng)力筋作為復(fù)位材料，該設(shè)計明顯增大了構(gòu)件的軸向變形的能力，且軸向變形是單束預(yù)應(yīng)力鋼絞線的兩倍，雙筋串聯(lián)預(yù)應(yīng)力筋自復(fù)位系統(tǒng)如圖2所示。張會等在此基礎(chǔ)上對串聯(lián)雙筋預(yù)應(yīng)力鋼絞線BRB做進一步的研究，支撐的耗能能力隨著核心板面積的增大而增大，極限變形能力隨著預(yù)應(yīng)力筋面積的增大而增大，但預(yù)應(yīng)力筋面積不宜過大，否則會造成支撐的軸力過大。初始張拉力影響預(yù)應(yīng)力筋剩余彈性變形，也會影響支撐的彈性變形極限，三者對于支撐的變形能力都產(chǎn)生了一定的影響。圖2?雙筋串聯(lián)預(yù)應(yīng)力筋自復(fù)位系統(tǒng)示意第三種自復(fù)位材料是碟形彈簧，是由薄板彈簧經(jīng)過鋼板沖壓形成碟形，簡稱碟簧。碟簧體積小、承載力大、緩沖和減震能力強、且方便更換。學(xué)者們將碟簧作為自復(fù)位裝置設(shè)置在支撐的兩端，無論支撐受拉還是受壓，碟簧都產(chǎn)生受壓變形，提供自恢復(fù)能力，結(jié)構(gòu)工作原理如圖3所示。在初始狀態(tài)，碟簧處于放松的狀態(tài)，碟簧中沒有力的作用；當構(gòu)件受拉或者受壓時，內(nèi)核芯板與外部套管上的卡槽會擠壓碟簧，使得碟簧產(chǎn)生受壓變形，當外力釋放后，碟簧為了回到初始狀態(tài)，會推動內(nèi)核芯板與外部套管運動，從而使得BRB結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原始狀態(tài)。但碟簧間的摩擦系數(shù)會影響碟簧的承載力大小，摩擦力會產(chǎn)生較小的殘余變形，使得碟簧的使用數(shù)量受到限值，進而影響整個支撐的復(fù)位能力。（a）（b）（c）圖3?碟簧支撐工作原理示意（a）受拉狀態(tài)；（b）初始狀態(tài)；（c）受壓狀態(tài)有學(xué)者將多種自復(fù)位裝置共同組裝在BRB構(gòu)件中，形成組合應(yīng)用。張超眾等將2組預(yù)應(yīng)力鋼絞線和組合碟簧串聯(lián)應(yīng)用于裝配式屈曲約束支撐中，利用鋼絞線的伸長變形和組合碟簧的壓縮變形提供恢復(fù)力。結(jié)果表明，碟簧組合壓并后，支撐剛度顯著增大，能夠減小層間變形的集中效應(yīng)，強震下結(jié)構(gòu)層間變形速度減慢。目前研究的自復(fù)位屈曲約束支撐的3種自復(fù)位材料各有優(yōu)缺點。形狀記憶合金能夠產(chǎn)生很好的自復(fù)位能力，但是價格昂貴，且性能會受到溫度的影響。預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固難度大，且在加工過程中不可避免需要焊接，溫度變化會使預(yù)應(yīng)力減小甚至消失。碟簧自復(fù)位能力良好，但是碟簧間的摩擦力會影響其自復(fù)位能力。2?BRB在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用2.1?BRB框架結(jié)構(gòu)的研究防屈曲支撐可以提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時也能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在地震作用下，防屈曲支撐相當于“保險絲”的作用，為結(jié)構(gòu)提供第一道防線。BRB屈服以后，結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，此時框架結(jié)構(gòu)成為第二道防線，仍然具有抗震能力。因此，BRB框架結(jié)構(gòu)是具有雙重抗側(cè)力體系的消能減震結(jié)構(gòu)。BRB在布置的時候應(yīng)該使結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的動力特性相近，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心重合，減小扭轉(zhuǎn)地震效應(yīng)。同時，也要盡量避免因局部剛度削弱或突變形成薄弱部位，造成過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。學(xué)者們將BRB安裝在框架結(jié)構(gòu)中，能夠有效地提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗震性能。喬金麗等研究安裝人字形屈曲約束支撐和不安裝支撐的框架結(jié)構(gòu)的受力機理和傳力機制，發(fā)現(xiàn)安裝屈曲約束支撐的混凝土框架滯回性能和耗能能力比普通混凝土框架有明顯提高。苗杰將彈簧式自復(fù)位屈曲約束支撐應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中，進行OpenSees有限元分析，發(fā)現(xiàn)此種BRB能夠有效地將框架結(jié)構(gòu)的殘余位移降低到可以忽略的范圍內(nèi)。李幗昌等將BRB應(yīng)用于高層混凝土結(jié)構(gòu)中，建立屈曲約束支撐框架–核心筒混合結(jié)構(gòu)模型。研究結(jié)果表明，通過合理布置BRB裝置可以增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。BRB不同形式會影響框架結(jié)構(gòu)的抗震加固性能。顧爐忠等研究3種BRB形式框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，分別為普通梁單斜撐、寬扁梁單斜撐、普通梁人字撐，通過分析裂縫發(fā)展狀況可知，框架梁柱具有良好的屈服機制，且寬扁梁單斜撐和普通梁人字撐的受力機理要更加合理。王永貴等研究了倒V形和單斜兩種支撐布置方式下框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，發(fā)現(xiàn)倒V形布置的抗震性能能夠優(yōu)于單斜向布置的抗震性能。吳徽等研究兩種加固方式——植筋加固和抗剪鍵加固下的框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過擬靜力抗震試驗和Perform–3D軟件的非線性模擬，分析該結(jié)構(gòu)的變形性能、承載能力和耗能能力。結(jié)果表明，兩種加固方式都能夠提高鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，植筋方式的穩(wěn)定性更好。2.2?BRB框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究地震作用下框架結(jié)構(gòu)的柱端及梁柱節(jié)點處極易發(fā)生破壞，使得結(jié)構(gòu)喪失承載力而發(fā)生倒塌，可采用增加剪力墻的方式加固，但會影響建筑采光性能。將BRB應(yīng)用于混凝土框架結(jié)構(gòu)中，可避免因剪力墻導(dǎo)致的建筑采光問題。在國內(nèi)多次地震中，有相當一部分混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害發(fā)生在柱與梁節(jié)點核心區(qū)，違背了設(shè)計理念中的強節(jié)點、強錨固的設(shè)計初衷。因此，在BRB框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點的設(shè)計與加固成為不可避免的研究方向。吳克川等研究了不同剛度比下防屈曲支撐鋼筋混凝土框架抗震性能，發(fā)現(xiàn)剛度比越大，構(gòu)件節(jié)點破壞越嚴重。有學(xué)者對普通梁柱節(jié)點和帶支撐梁柱節(jié)點進行分析。通過有限元軟件分析頂點位移和轉(zhuǎn)角的變化趨勢。由于設(shè)計中考慮了節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力，因此帶支撐梁柱節(jié)點的抗震性能低于普通梁柱節(jié)點的抗震性能，但更接近于實際。王靜峰等研究了整體式和暗鋼托座式兩種不同的梁柱節(jié)點，發(fā)現(xiàn)暗鋼托座式梁柱節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)整體性能優(yōu)于整體式梁柱節(jié)點。還有學(xué)者設(shè)計了一種屈曲約束支撐與混凝土連接的T形連接節(jié)點。結(jié)果表明，新型T形鋼錨固節(jié)點使得塑性鉸向節(jié)點區(qū)域外的梁柱區(qū)域轉(zhuǎn)移，連接節(jié)點穩(wěn)定可靠，傳力明確。朱江等研究BRB混凝土框架結(jié)構(gòu)邊節(jié)點在不同受力狀態(tài)下節(jié)點裂縫和變形發(fā)展過程，明確節(jié)點的極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)。結(jié)果表明，梁縱向鋼筋配筋率、梁柱線剛度比對節(jié)點的彈塑性性能影響顯著，而軸壓比對節(jié)點性能影響很小。馬傳政等研究帶BRB的方鋼管高強混凝土柱，H型鋼削弱節(jié)點的受力性能。結(jié)果表明，削弱型節(jié)點的梁端塑性鉸出現(xiàn)在削弱部位，梁端翼緣的削弱起到塑性鉸外移的作用，減小了節(jié)點區(qū)域應(yīng)力集中，有利于實現(xiàn)“強柱弱梁，強節(jié)點”的抗震設(shè)計目標。Bai等提出了一種新型BRB與框架結(jié)構(gòu)的連接方式，將角撐板和RC組件完全通過剪切連接器連接，以便在新的框架結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)更可靠的BRB–to–RC連接。這種連接方式抗震性能良好，具有穩(wěn)定的能量耗散性能。3?設(shè)計方法的研究初步設(shè)計的設(shè)防目標：多遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)和加固框架處于彈性狀態(tài)；設(shè)防烈度地震作用下防屈曲支撐消耗地震能量，主體結(jié)構(gòu)可開裂，但不屈服，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌。兩階段設(shè)計和三水準的設(shè)防目標是目前常用的抗震設(shè)計方法，但由于不能很好地預(yù)測和判斷地震的發(fā)生時間和地震能量大小，所以傳統(tǒng)的抗震設(shè)計不能對資源的利用做到經(jīng)濟有效，也不能很好地達到預(yù)定的設(shè)防強度，因此需要對現(xiàn)有的抗震理論進行進一步的完善，探索新的結(jié)構(gòu)抗震或者抵擋地震能量的方法。張家廣等提出了一種基于最弱塑性鉸的鋼筋混凝土框架層間變形能力簡化計算方法。該設(shè)計方法可以實現(xiàn)在增設(shè)BRB的同時避免對構(gòu)造措施不滿足要求的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐個進行局部抗震加固。李小龍等根據(jù)剛度補