DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.020
复合消能支撑的抗震性能试验研究
周颖，胡擎，吴日利
(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海，200092)
摘要：为克服传统防屈曲支撑在结构处于小震及微振情况下不耗能的问题，提出一种基于防屈曲支撑及黏弹性阻尼器并联工作原理的复合消能支撑，并通过加载频率为0.3 Hz的高速往复加载试验，对该种新型复合消能支撑及传统防屈曲支撑进行抗震性能研究。研究结果表明：复合消能支撑加载过程均未出现失稳现象，滞回曲线稳定饱满，拉压特性对称，并且其所具有的全阶段耗能、多重耗能、安全保障体系的优点得到了验证。
关键词：防屈曲支撑；黏弹性阻尼器；抗震性能；高速往复加载试验；复合耗能器
中图分类号：TU318.1；TU391 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)07-1726-08
Experimental study on seismic behavior of viscoelastic buckling restrained braces
ZHOU Ying, HU Qing, WU Rili
(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Energy produced by frequent earthquake and micro vibration may not be dissipated by traditional buckling restrained braces (BRBs). To solve this problem of BRBs, a type of viscoelastic buckling restrained brace (VE-BRB) based on parallel connection working principle of the BRB and viscoelastic dampers (VEDs) was presented. High speed cyclic loading tests were conducted to study the different seismic behaviours of the VE-BRB with new construction details and the BRB with traditional construction details. The results show that the VE-BRB can yield without buckle. Its hysteresis curves are full, stable and the characteristics of compression and tension are consistent. The VE-BRB can dissipate energy in all stages of steel core, and have multiple energy dissipation and security assurance systems. Such advantages are verified by the experiment.
Key words: buckling restrained brace; viscoelastic damper; seismic behaviour; high speed cyclic loading test; hybrid energy dissipation device
防屈曲支撑(buckling restrained brace，简称BRB)通过在普通支撑外部包裹外套筒(约束构件)，可以防止支撑在受压时提前发生屈曲造成支撑拉压性能不对称[1-3]。防屈曲支撑作为一种位移型金属耗能器，因其优良的经济性、适用性与稳定性，近年来已被广泛地运用在消能减震、加固改造等工程[4-6]。BRB在多遇地震作用下处于弹性阶段，在罕遇地震下屈服耗能，即小震作用下不提供阻尼。这种体系不仅提高了结构刚度，而且提高了输入结构的地震作用，在接近场地特征周期段，同等附加刚度下地震作用的提高更大，层间位移角的减小幅度更小，甚至有可能出现刚度过大层间位移角不能下降的情况[7]。黏弹性阻尼器(VED)是一种速度型耗能器，通过滞回耗能吸收地震能量，可提高结构阻尼比，但黏弹性阻尼器附加给结构的刚度较小，当主体结构太弱时，需要为结构布置较多的阻尼器才能满足层间位移角要求[8]，近年来有学者提出位移型+速度型阻尼器的混合消能减震结构体系[9-12]。本文作者提出一种新型的复合消能支撑(viscoelastic buckling restrained brace，简称VE-BRB)，其工作机理相当于防屈曲支撑与黏弹性阻尼器(viscoelastic damper，简称VED)的并联[13]。防屈曲约束支撑和黏弹性阻尼器混合使用(BRB+VED)体现刚柔结合，即采用适量BRB增大主体结构的侧向刚度，改善扭转特性，再采用黏弹性阻尼器整体提高结构的减震效果，应用得当则可发挥各自优势。但这种新型复合消能支撑实际工作性能如何以及其构造工艺与设计方法是否合理可行，仍需进行性能试验验证。此外，防屈曲支撑属于位移相关型阻尼器，进行性能试验时常采用低周往复加载；黏弹性阻尼器属于速度相关型阻尼器，进行性能试验时常采用高速位移往复加载。复合消能支撑采用加载频率为0.3 Hz的高速往复加载试验进行抗震性能研究。
1 复合消能支撑构造与特点
复合消能支撑构造原理为在传统一字型内芯防屈曲支撑基础上并联若干个钢板剪切型黏弹性阻尼器，其整体构造如图1(a)所示。其中，防屈曲支撑部分主要包括一字型低屈服点内芯钢板、钢管混凝土组成的外套筒以及隔绝内芯与混凝土摩擦力的无黏结层，如图1(b)所示。黏弹性阻尼器部分主要由固定钢板、高阻尼橡胶层、剪切钢板组成三明治式的构造形式。由于支撑内芯受压屈曲后可能会挤压黏弹性阻尼器剪切钢板及高阻尼橡胶层，为了防止高阻尼橡胶层受到过大的挤压变形并且给予内芯提供可靠的侧向约束，分别于高阻尼橡胶层两端焊接垫片，如图1(c)所示。
复合消能支撑理论上具有以下优点：1) 解决了普通支撑受压易屈曲的问题，支撑拉压性能对称，最大程度地利用了软钢材料耗能属性；2) 实现了支撑全阶段耗能的特点，即使支撑内芯处于弹性阶段，支撑也能够提供较大的阻尼，满足结构舒适度要求；3) 复合消能支撑由内芯钢板及高阻尼橡胶2种材料组合共同耗能，与传统的防屈曲支撑及黏弹性阻尼器相比，刚度更大，耗能能力更强；4) 高阻尼橡胶的疲劳性能优于钢材，即使支撑内芯经历反复加载后拉断，黏弹性阻尼器仍能工作，为结构提供多重保障体系。
图1 复合消能支撑的主要组成部件
Fig. 1 Main components of VE-BRB
2 试验概况
2.1 试件设计
试验共设计了复合消能支撑及防屈曲支撑试件各1根。其中，防屈曲支撑试件约束构件为钢管混凝土，作为复合消能支撑试件性能试验的对照组。2根试件端部均焊在支撑端板，再通过对拉螺栓与加载头端板连接，试验加载设备与试件加载头最后通过销轴连接。
根据文献[14]可知这种铰接形式的连接容易使支撑内芯外伸段发生局部压弯的破坏现象，故在2根支撑端部焊接了端套筒[15]。复合消能支撑及防屈曲支撑试件的稳定性均根据弯矩放大系数法[16]验算，钢结构各部分连接根据GB 50017—2003“钢结构设计规范”[17]验算。试件主要构造及设计参数见图2~4及表1。传统防屈曲支撑屈服段长度为2 980 mm，复合消能支撑屈服段长度为2 680 mm。二者屈服段长度不一样的原因在于：为了支撑内芯外伸段稳定性，在防屈曲支撑内芯两端设置了较长的加劲肋；而复合消能支撑由于内芯与黏弹性阻尼器剪切钢板螺栓连接，增强了支撑内芯外伸段的稳定性，同时也没法与防屈曲支撑设置一样长度的加劲肋。在相同支撑位移下，2根支撑芯材屈服段应变、应力也不一样。为了使2根消能支撑具有可比性，对2根支撑滞回曲线进行量纲一处理。
图2 VE-BRB整体构造示意图
Fig. 2 Construction detail of VE-BRB
图3 BRB整体构造示意图
Fig. 3 Construction detail of BRB
图4 BRB芯材各部分示意图
Fig. 4 Different parts of steel core
表1 试件主要设计参数
Table 1 Main design parameters of specimens
2.2 试验设备与试件安装
试验所用加载系统为2 000 kN的高速阻尼器试验系统，主要由液压作动器、销轴式固定支座、反力架等组成，其最大动载荷为2 000 kN，最大位移为±600 mm，最大速度为1.2 m/s，加载频率为0~5 Hz，可加载波形有正弦波、三角波、拍波、方波、斜波、随机波、地震波。试验采用的测试设备和仪器还有DH3820数据采集处理系统、ASM拉线式位移传感器。
2.3 加载机制
构件的抗震性能试验往往采用低周往复加载试验或高速位移往复加载。防屈曲支撑属于位移相关型阻尼器，性能试验时常采用低周往复加载；黏弹性阻尼器属于速度相关型阻尼器，性能试验时常采用高速位移往复加载。复合消能支撑由防屈曲支撑和黏弹性阻尼器并联，其加载机制也需要在预试验基础上进行讨论确定。
影响黏弹性材料力学性能的因素较多，包括温度、频率等。但本文旨在对这种新型的由防屈曲支撑和黏弹性阻尼器并联的复合消能支撑实际工作性能以及其构造工艺与设计方法的合理性进行研究，所以只选择1个合适的频率在常温下(20 ℃)进行高速位移往复加载试验。对复合消能支撑进行预试验时采用高速往复位移加载：加载波形为正弦波，位移幅值为4 mm，加载频率分别为0.1，0.3，1.0和2.0 Hz。通过试验发现：因加载设备性能的限制，加载频率较高时加载波形失真严重，位移控制幅值误差较大；同时，随加载频率由0.1 Hz增大到2.0 Hz，黏弹性阻尼器耗能能力增大。经综合考虑，复合消能支撑高速位移往复加载频率选定为0.3 Hz，同时，为了进行对照，防屈曲支撑加载频率也为0.3 Hz。
位移控制幅值及循环圈数参考GB 50011—2010“建筑抗震设计规范”[18]对于防屈曲支撑性能试验的要求，标准加载幅值为4 mm(内芯处于弹性阶段)，L/300，L/200，L/150和L/100(其中，L为支撑总长，即两销轴孔距离)。除最后1个工况L/100循环30圈加载外，其他均循环3圈加载。
2.4 测量方案
试验采集数据包括支撑轴向位移及轴向力。其中，轴向力由液压作动器记录；因支撑存在连接间隙及连接段弹性变形，所以，支撑轴向位移由非转动平面对称布置的2个拉线位移计1和2读数平均值求得，这样可更精确地反映支撑内芯的真实位移。位移计布置如图5所示。
图5 轴向位移计布置图
Fig. 5 Location of displacement meters
3 试验现象及失效模式
2根耗能支撑试件在芯材达到截面屈服荷载后维持了较长的变形过程，加载过程均未出现整体失稳以及芯材外伸段局部失稳的现象。
3.1 防屈曲支撑试验现象及失效模式
防屈曲支撑加载过程顺利，耗能性能稳定，在芯材屈服之后能达到较大的塑性变形，加载过程未出现支撑整体失稳或芯材外伸端局部失稳现象。在进行最后1个工况加载(加载频率0.3 Hz，位移幅值L/100，即38 mm)的第25圈时破坏。破坏现象为试件发出明显的拉断响声，数据采集系统显示支撑拉力近似为0 kN，但仍能承受略小的压力。出于保护试件及试验设备的考虑，停止后续加载。
试验过后剖开防屈曲支撑外套筒，发现芯材一端已被拉断，并存在明显局部屈曲的现象，芯材另一端也存在轻微的局部屈曲，位置均发生于芯材屈服段靠近加劲肋端部的位置，此处为芯材屈服段与弹性段交界的位置。芯材其他位置形状平整，并没有出现明显的高阶屈曲波形。防屈曲支撑破坏模式见图6。估计破坏位置存在刚度突变造成的应力集中或者焊接产生的残余应力，降低了内芯低周疲劳性能。
图6 BRB破坏模式
Fig. 6 Failure modes of BRB
3.2 复合消能支撑试验现象及失效模式
复合消能支撑在进行第1个工况(4 mm)时，加载过程顺利。在进行第2个工况(L/300)加载时，试验系统出现“应激”反应。“应激”反应是试验系统偶然故障，与构件性能无关，表现为加载位移及激励频率在短时间内不受控制，且持续15 s左右。在“应激”反应过程中，试件受到较大的冲击波，试验加载拉力峰值为1 024 kN、压力峰值为876 kN，几乎达到了支撑承载力理论极限值，复合消能支撑受到损伤，抗震性能会有一定程度下降。排除试验系统故障之后重新进行第2个工况(L/300)加载，发现支撑再次加载后刚度下降。因为支撑仍能承受较大的轴力，于是继续进行后续工况。复合消能支撑在进行最后1个工况 (L/100)加载的第4圈时受拉破坏。与防屈曲支撑类似，试件发出巨大的拉断响声。试验采集系统显示支撑仍能承受较小的对称拉压力，表明复合消能支撑的黏弹性阻尼器仍能正常工作。
因为构造的需要，黏弹性阻尼器剪切钢板与内填混凝土间预留了2处50 mm压缩空隙，试验过后剖开复合消能外套筒发现，芯材正是在这2处位置发生局部屈曲的现象，并且其中一端被拉断。芯材受黏弹性阻尼器及混凝土约束的区域形状平整，并没有出现明显的高阶屈曲波形，说明复合消能支撑内部约束构造合理，黏弹性材料层能够正常剪切变形耗能，不会受到过大的内芯屈曲变形挤压。复合消能支撑破坏模式见图7。从图7可知：约束构件内部对内芯的全长密实约束非常重要，后期设计应该尽量减小复合消能支撑的内部预留压缩空隙。
图7 VE-BRB破坏模式
Fig. 7 Failure modes of VE-BRB
4 试验结果分析
4.1 滞回曲线
2根耗能支撑试件滞回曲线及骨架曲线如图8所示(正向为拉，负向为压)。图8中箭头符号所指位置代表试件首次出现明显承载力下降的时刻。
防屈曲支撑弹性阶段的滞回曲线基本表现为理想的线性，拉压2个方向的刚度基本一致。复合消能支撑在芯材弹性阶段的滞回曲线为细长的椭圆形，拉压2个方向形状对称。
防屈曲支撑进入塑性阶段后，随着轴向变形的不断增大，滞回曲线形状在破坏前始终呈现出稳定的梭形，表现出良好的耗能能力。在同一位移幅值下循环的各圈滞回曲线基本重合，表现出稳定的滞回耗能特性，在破坏前没有明显的强度、刚度退化和捏拢现象。复合消能支撑应激前及应激后再加载的刚度明显不一致，很可能是支撑在试验加载系统“应激”时受到的冲击波造成了钢芯材的材料损伤、刚度退化，而这也正可能是复合消能支撑低周疲劳性能低于防屈曲支撑的主要原因。虽然复合消能支撑芯材意外地受到试验系统“应激”的影响，但复合消能支撑滞回曲线形状饱满稳定，形状拉压对称，说明复合消能支撑构造合理，很好地解决了普通支撑受压屈曲、拉压性能不一致的问题。
图8 试件试验曲线
Fig. 8 Experimental cures of specimens
2根支撑的骨架曲线皆可用双线性模型表示。其中复合消能支撑的屈服后刚度略大于防屈曲支撑的屈服后刚度，原因是黏弹性阻尼器为复合消能支撑提供了附加刚度。
因支撑构造及加工工艺的不同，2根支撑芯材屈服段长度不一：在相同支撑位移下，2根芯材屈服段应变、应力也不一样。为了使2根消能支撑具有可比性，对2根支撑滞回曲线进行量纲一处理，其中纵坐标P/Py为支撑实测轴力P与计算屈服轴力Py(材性试验测得的屈服强度与屈服段面积的乘积)之比，横坐标ε为内芯屈服段的轴向应变(拉线位移计测得的内芯轴向位移δ与屈服段长度之比)。为了方便地观察、对比2根支撑滞回曲线，这里均取每级工况性能稳定的第2圈加载滞回曲线，如图9(a)和(b)所示。从图9(a)和(b)可知：防屈曲支撑在弹性阶段滞回圈面积很小，几乎不耗能，而复合消能支撑能形成类椭圆形的滞回圈，且滞回圈面积较大，说明复合消能支撑在内芯不屈服的情况下也能耗能；在内芯塑性阶段，复合消能支撑及防屈曲支撑滞回圈面积差别不大，但复合消能支撑刚度明显更大。由前述试验现象及图9(c)滞回曲线可知：防屈曲支撑及复合消能支撑内芯拉断后，防屈曲支撑不能继续承受轴力而退出工作，而复合消能支撑因黏弹性阻尼器仍能正常工作，其滞回曲线饱满，拉压形状对称，说明复合消能支撑不仅具有多重耗能体系，更能为结构提供多重安全保障。
4.2 单圈耗能及等效阻尼比
消能支撑的单圈耗能可通过对滞回曲线单圈所围面积积分获得。耗能构件等效阻尼比
[18]。其中，ED为每圈滞回环包含的能量，表示外界输入耗能构件的能量；Es为最大位移处割线刚度包含的面积，表示耗能构件释放掉的能量。
越大，耗能效果越明显。选择试件各工况下第2圈滞回曲线数据点进行计算，计算所得滞回圈面积及等效阻尼比见表2。
复合消能支撑塑性阶段各工况下滞回圈面积都略小于防屈曲支撑，原因主要有：1) 防屈曲支撑芯材屈服段长度约为复合消能支撑的0.9倍，所以，在相同支撑位移下，防屈曲支撑芯材屈服段应变及应力更大，造成的滞回圈面积也会相对较大。2) 试验系统“应激”的冲击波可能造成复合消能支撑芯材性能一定程度 下降。
复合消能支撑在内芯弹性阶段及拉断后工况的耗能能力都明显优于防屈曲支撑，复合消能支撑全阶段耗能的优点得以验证。
图9 试件各阶段滞回曲线
Fig. 9 Hystersis curves of each stages of specimens
表2 试件各工况滞回圈面积及等效阻尼比
Table 2 Area of hysteresis loops and equivalent damping ratio
4.3 承载力不平衡特性
支撑内部不可避免地存在摩擦作用，使得滞回曲线拉压荷载峰值存在差异，即最大压力大于最大拉力。支撑的拉压承载力不平衡特性可由拉压不均匀系数β表示：β=max(Pimax/Timax)(其中，Pimax与Timax分别表示滞回曲线第i圈等幅循环中的轴压力与轴拉力幅值)。此系数越大，反映支撑拉压承载力不平衡特性越显著，对支撑节点的受力不利。美国ANSI/AISC 341—10“建筑钢结构抗震设计规程”[19]规定该系数不大于1.3。
表3 各工况下试件拉压不均匀系数
Table 3 Compression strength adjustment factor
复合消能支撑及防屈曲支撑各工况下拉压不均匀系数均小于1.3，满足规范要求，说明2根支撑的无黏结层构造合理，能够忽略摩擦力影响，支撑具有对称的拉压滞回特性。
5 结论
1) 复合消能支撑试件及防屈曲支撑试件滞回曲线饱满，耗能稳定，加载过程均未出现整体及局部失稳现象，拉压特性对称，说明两者构造合理，抗震性能良好，可作为结构高效的抗侧力构件和耗能减振阻尼器使用。
2) 复合消能支撑在内芯处于弹性阶段时，其滞回曲线为一椭圆形，等效阻尼比约为10%，克服了传统防屈曲支撑小震下不耗能的缺点；在内芯拉断后，其黏弹性阻尼器仍能正常工作，等效阻尼比约为30%，为结构安全提供了多重保障体系。
3) 复合消能支撑及传统防屈曲支撑骨架曲线皆为双折线形式，其恢复力模型可用双线性模型模拟，但复合消能支撑因额外并联了黏弹性阻尼器，其刚度要稍大。
4) 因试验系统出现意外的“应激”现象，复合消能支撑在塑性阶段受到了不小的冲击波，其再加载刚度明显下降，也可能造成内芯低周疲劳及耗能性能下降。复合消能支撑在塑性阶段没有表现出比传统防屈曲支撑预期中更优越的抗震性能，因此，建议补充后续试验对该分析进行验证。复合消能支撑约束构件内部预留压缩间隙及黏弹性阻尼器约束区域是构件的薄弱环节，后期设计应对此处进行加强。端套筒对支撑内芯外伸段的局部失稳具有限制作用，复合消能支撑能否单纯通过加劲肋代替端套筒的作用，有待进一步研究。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2017-07-12；修回日期：2017-09-16
基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2016YFC0701101)；国家自然科学基金资助项目(51678449) (Project(2016YFC0701101) supported by the National Key Research Development Program (973 Program) of China; Project(51678449) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：周颖，博士，教授，从事工程结构抗震和动力试验方法与技术研究；E-mail: yingzhou@tongji.edu.cn
