端部“王”字形H型屈曲约束支撑的力学性能研究

Research on mechanical performance of H-shaped buckling restrained brace

摘要

提出了一种H型屈曲约束支撑（H-shaped Buckling Restrained Brace， HBRB），为避免芯材焊接的影响以及便于工程连接，芯材采用热轧H型钢，端部采用“王”字形加强段。设计了四根试验件，三根长度不一的热轧型HBRB和一根以焊接H型钢为芯材的焊接型HBRB，通过拟静力加载试验，研究焊接对HBRB力学性能的影响。试验结果表明：端部“王”字形HBRB的滞回曲线饱满，具有良好的塑性变形能力；芯材采用热轧型钢的热轧型HBRB疲劳性能更佳，耗能性能更加优异，累计塑性延性系数远高于焊接型HBRB；热轧型HBRB拉压平衡系数较于焊接型HBRB更小，均在1.1以下。外套筒端部封头板在试验中有外翻迹象，可以通过提高封头板强度减弱此类现象。

Abstract

A type of H-shaped Buckling Restrained Brace （HBRB） is proposed. In order to avoid the effect of core welding and to facilitate the engineering connection， hot-rolled H-beam is used as the core material， and the end is reinforced by a "王" shaped reinforcement section. Four test pieces are fabricated， including three hot-rolled HBRBs with different lengths and one welded HBRB adopting welded H-section steel as the core. Quasi-static cyclic loading tests are carried out to investigate the welding effect on the mechanical performance of HBRBs. The test results show that： the hysteresis curve of the HBRB with a “王”-shaped end is full， indicating good plastic deformation capacity； the hot-rolled HBRB， which uses hot-rolled steel as the core material， exhibits better fatigue performance and more excellent energy dissipation capacity， with a cumulative plastic ductility coefficient much higher than that of the welded HBRB； the tension-compression balance coefficient of the hot-rolled HBRB is smaller than that of the welded HBRB， both below 1.1. The head plate at the end of the outer sleeve shows signs of outward flanging in the test， and such phenomenon can be mitigated by increasing the strength of the head plate.

Graphical abstract

关键词

H型屈曲约束支撑 / 热轧H型钢 / 拟静力加载试验 / 力学性能

Key words

H-shaped buckling restrained brace / hot-rolled H-shaped steel / pseudo-static loading test / mechanical property

屈曲约束支撑（Buckling Restrained Brace， BRB）是一种利用金属轴向变形耗散能量的金属阻尼器。目前建筑用BRB常见截面形式主要为一字形、十字形和H形，且十字形和H形截面多为由三块钢板焊接而成。

焊接无论是在建筑结构中还是在金属阻尼器中都十分常见，但焊接也会产生很多不利影响。Murase等^［2］通过对十字形截面BRB进行试验和模拟发现焊接变形容易引入较大的初始缺陷，Narihara等^［3］在BRB试验研究中发现内芯焊接会对其低周疲劳性能产生不利影响从而导致内芯过早发生低周疲劳断裂，赵俊贤等^［4-6］为降低芯材焊接对力学性能的影响，只对端部进行了焊接，发现大大提高了BRB的疲劳性能，Newell等^［7］设计对比了无焊和有焊十字内芯BRB，发现有焊十字内芯BRB的低周疲劳性能会更低，黄波等^［8］对Q235钢BRB进行试验发现屈服段内焊缝对其疲劳性能影响显著，与焊缝形状、引起的缺陷以及残余应力等因素有关，吴京等^［9］通过对角钢拼接BRB进行试验发现角钢拼接的无焊BRB疲劳性能要明显高于十字铸造BRB，李伟^［10-11］对H形芯材BRB进行低周往复试验，发现焊接处焊缝强度大于母材且截面积会增大，郭立行等^［12-13］采用铸造工艺铸造十字内芯BRB，发现虽然能够有效避免残余应力和残余变形，但是因为该铸造工艺没有热轧环节和铸造材料的影响，其疲劳性能并无优势，王永贵等^［14］通过对端部加强型和切削型BRB的研究，发现端部加强型从造价和节约资源更有优势，但关键在于焊接的质量。黄卿^［15］为了避免焊接对BRB疲劳性能产生影响，提出一种无焊组装式的BRB，并通过试验研究表明，无焊组装式由于避免了核心单元的焊接，疲劳性能显著提高。

现学者对于屈曲约束支撑耗能段芯材焊接研究多为十字形截面，对于H形截面屈曲约束支撑焊接研究多为端部焊接，耗能段芯材较少。端部连接形式多为将加劲肋焊接于一块腹板上或将加劲肋两端分别焊接于两边腹板上用于端部加强。此种端部加强形式不便于H形截面BRB与结构间的连接^［16-17］。

热轧H型钢作为一种新型的建筑材料，工艺与焊接H型钢有差异，由热轧工艺一次性轧制而成，残余应力更小；其精度比焊接H型钢高一个数量级；较于焊接H型钢，其具有标准化和规范化的优点^［18］。

针对以上不足，以及结合热轧H型钢的优势，本文设计了以热轧H型钢作为耗能芯材的热轧型HBRB，避免于芯材处进行施焊。为便于HBRB的连接，端部形式采用“王”字形，并以以焊接H型钢作为芯材的焊接型HBRB作为对比试件，进行低周往复加载试验，一方面考察端部“王”字形HBRB的滞回性能、疲劳性能和耗能性能等，另一方面考察HBRB芯材焊接对其力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文提出的端部“王”字形HBRB，其耗能单元采用热轧H型钢，型号为Q235，约束单元采用外包钢管混凝土型，采用Q235钢和C40混凝土，芯材表面覆有2 mm防水卷材，将芯板与混凝土隔离，用以减小核心单元在受到轴向力后发生屈曲变形时与约束单元的摩擦。内核单元中间设置限位卡，用以防止内核单元与约束单元之间发生相对错动。

综合考虑试验室条件以及试验目的，本试验设计并制作了3根分别长为1、1.5、1.8 m的热轧型HBRB试件（用A-1，A-2，A-3表示）和1根1.8 m长的焊接型HBRB试件（用B-1表示），焊接型HBRB试件芯材由三块焊接型钢焊接成H形，焊条型号为E43型。二者均采用填充混凝土的矩形钢管作为约束构件，均采用H形截面芯材（100 mm×100 mm×6 mm×8 mm）和相同的约束套筒（150 mm×150 mm×4 mm）。试件大样图如图1所示，试件参数如表1所示。

1.2 试验设备

该试验在上海史狄尔建筑减震科技有限公司试验室进行，试验加载装置为伺服直线作动器，试验系统为PWS-1200大型多功能结构试验系统. 试验机长度为3.5 m，宽度为1.5 m，最大加载力为1 200 kN。试验装置和试件安装详图如图2~图3所示。

1.3 材性试验分析

试件材性试验按照现行国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》的相关规定^［19］进行，材性试验试件从同一批次试件母材上切割，分别对H型钢的翼缘和腹板进行材性试验，材性试件尺寸如图4所示，厚度分别为6 mm（腹板）和8 mm（翼缘），引伸计标距为20 mm，试验装置、安装详图及材性试件如图5所示，最终钢材的性能指标如表2所示。

由表2可知，A类试件和B类试件所用Q235钢伸长率均在30%以上，满足《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012）中对屈曲约束支撑核心单元伸长率在25%的规定。

1.4 加载方案

采用拟静力低周往复位移加载。加载制度参照我国《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012）中屈曲约束支撑力学性能试验方法^［20］，依次在1／300、1／200、1／150、1／100阻尼器长度（L）下拉伸和压缩往复加载各3次。继而在1／150阻尼器长度下循环30圈用以测试试件疲劳性能。若试件未破坏，则在1/100阻尼器长度下循环20圈，后续每次在原加载基础长度上增加2 mm循环20圈的加载制度直至断裂为止。加载速率为0.1 mm/s。位移加载制度如图6所示：

2 试验过程分析

2.1 试验现象

如图7所示，试件完成试验后外套筒无明显变化，未出现膨胀以及弯曲的现象；外伸连接段无弯曲失稳现象；约束单元内部混凝土于试验过程中被压碎，且有少许混凝土碎块从封头板缝隙处被带出；试件的封头板因其强度不足而有明显向外翻的迹象，随着加载幅值的增加外翻现象愈发明显。所有的试件均为受拉破坏。试件具体加载情况如表3所示。

2.2 破坏原因分析

为研究试件破坏核心区域破坏情况，对长度为1.8 m的两根试件约束单元进行剖切，观察试件破坏情况。如图8~图9所示。

由图8~图9可知，试件A-3和试件B-1的破坏位置均发生在端部变截面处。由于芯材耗能段和过渡段截面面积的变化，试件在试验过程中产生应力集中现象，进而导致试件断裂均发生在变截面处。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

长度为1、1.5、1.8 m的热轧型HBRB和长度为1.8 m焊接型HBRB的滞回曲线分为变幅加载滞回曲线和疲劳加载滞回曲线。试件的滞回曲线如图10所示。

由滞回曲线可知：

（1）以上四根试件滞回曲线均较为饱满，其强度刚度无明显退化现象，拉压基本对称。

（2）对比A-1、A-2、A-3可知，由于耗能芯材均为热轧H型钢且耗能段截面面积相同，滞回环圈数差异并不大，仅由于耗能段长度的不同致单个循环所耗散的能量存在差异，说明HBRB可以做到小型化。

（3）对比A-3和B-1，A-3的疲劳性能更加优越。在相同的加载制度下，焊接型HBRB与热轧型HBRB相比断裂前少进行了20个拉压循环。因此也说明用热轧H型钢作为芯材代替焊接H型钢能大大提升HBRB的疲劳性能。

3.2 累计塑性延性系数

累计塑性延性系数CPD是衡量HBRB塑性变形能力的一个重要指标，计算公式见（1）：

CPD={\sum [\mathrm{2}(\left|{\delta }_{\mathrm{t}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\right|}_j+{\left|{\delta }_{\mathrm{c}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\right|}_j)/{\delta }_y-\mathrm{4}]（1）

式中：｜δ_tmax｜ _j 为第j个滞回圈最大受拉位移的绝对值；｜δ_cmax｜ _j 为第j个滞回圈最大受压位移的绝对值；δ_y 为试件屈服位移理论值。

根据上式分别计算累计塑性延性系数，如表4所示由表4可知，HBRB的累计塑性延性系数均在2 100以上，远大于美国AISC规范中的200的限值，塑性变形能力优异。对于长度不同的热轧型HBRB中试件A-1、A-2、A-3的累计塑性延性系数相差在8%以内，说明芯材长度对热轧型HBRB累计塑性延性系数的影响不大，而相同长度下试件A-3的CPD为3 215，试件B-2的CPD为2 178，A-3的CPD比B-1高47.6%，说明热轧型HBRB的累计塑性变形能力要远大于焊接型HBRB。

3.3 骨架曲线

通过上述的滞回曲线可分别得到A-1、A-2、A-3和B-1的骨架曲线，如图11所示。

由骨架曲线可知：HBRB的骨架曲线有明显的屈服拐点，随着加载位移的递增，其力呈现不断增大的趋势；恢复力呈明显双线性特征。由于内部填充的无粘结材料减小了芯材与套筒间的摩擦作用，芯材在屈服后同位移下的拉力与压力相差不大。

3.4 拉压不平衡系数

拉压不平衡系数是由于试件芯材在受压的过程中会发生多波屈曲而挤压约束构件，并与之产生相对滑移而产生的摩擦力，为了降低摩擦通常在两者间填充无粘结材料，但依旧是不可避免的。拉压不平衡公式见式（2）：

\beta =\frac{C_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}（2）

式中：\beta为拉压不平衡系数；C_max为试件在第i个滞回圈内压力最大值；T_max为试件在第i个滞回圈内拉力最大值。

根据公式（2）得出各试件在不同加载制度下的拉压不平衡系数如表5所示：

由上表可知，热轧型HBRB和焊接型HBRB的拉压不平衡系数均未超过1.2，表现出良好的拉压对称性。热轧型HBRB的拉压不平衡系数均未超过1.1，略优于焊接型HBRB，其主要原因在于焊接存在一定的残余应力，在此试件中因焊接产生一定的压应力，而导致该试件B-1的拉压平衡系数更大。

3.5 耗能系数和耗能比

作为一种拉压型的金属屈服阻尼器，其耗能能力是评价优劣性的重要力学指标，结合图12进行分析，两者的计算公式如式（3）和式（4）所示：

耗能系数：

\phi =\frac{S_{ABCD}}{S_{OAF}+S_{OCE}}（3）

式中：S_ABCD为图12中所示滞回圈ABCD的面积；S_OAF为图12中所示三角形OAF的面积；S_OCE为图12中所示三角形OCE的面积。

耗能比：

\varphi =\frac{S_{ABCD}}{S_{AGCH}}（4）

式中：S_AGCH为图12中所示矩形AGCH的面积。

经计算耗能系数和耗能比如表6所示：

由表6可知，各试件的耗能系数均在2.5~3.2之间，随着加载幅值的增大，耗能系数和耗能比呈逐渐递增的趋势，耗能性能良好且稳定。对比A-1、A-2、A-3，不同长度下热轧型HBRB耗能系数和耗能比相差不大，均具有良好的耗能性能。对比A-3和B-1，热轧型HBRB的耗能系数和耗能比均略微优于焊接型HBRB。

4 结论

本文对四根端部“王”字形HBRB进行了拟静力加载试验，对其力学性能进行了对比分析，主要结论如下：

（1）端部“王”字形HBRB具有可行性，滞回曲线饱满，耗能性能优越，耗能系数在2.5~3.2之间。

（2）芯材焊接对试件的疲劳性能有很大的影响，采用热轧型HBRB疲劳性能要远高于焊接型HBRB。两者的CPD均在2 100以上，热轧型HBRB的CPD比焊接型HBRB的高约45%以上。

（3）两种类型的HBRB拉压不平衡系数均在1.2以内，热轧型HBRB的拉压不平衡系数低于焊接型HBRB，均在1.1以下，主要原因在于芯材采用热轧H型钢从生产工艺上看能够有效的避免焊接产生残余应力所带来的影响。

（4）试件的封头板由于强度不够在试验过程中出现外翻现象，而使部分压碎混凝土在试验过程中被带出，可以对其进行优化避免产生此类现象，例可以通过增厚封头板或者提高封头板的强度等级。

（5）由于热轧H型钢的标准化和规范化，生产周期短，可集中大量供货，同理可让热轧型HBRB标准化和规范化，大大缩短热轧型HBRB的工程生产周期。

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基金资助

国家自然科学基金(52578219)