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新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撑性能.pdf
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1、第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 2年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o 1 3 4 No 1 Fe b2 01 2 新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撑性能 邓 雪松 , 杨叶斌 , 周 云 , 陈 真 , 邹征敏 ( 广州大学 土木工程学院 , 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘 要 : 研制 了一种新 型外 包钢 筋混凝 土钢 管 防屈 曲耗 能 支撑 , 设 计 6个新
2、型 外 包钢 筋 混凝 土钢 管 防屈曲耗能支撑试件, 对其进行轴向循环荷载试验, 并对其 中的 4组试件采用 AB AQUs有限元数 值模拟分析。研究结果表明: 新型外 包钢筋混凝土钢管防屈 曲耗 能支撑在 受拉和受压 时都 能屈服 而不屈 曲, 支撑的滞回曲线稳定、 饱满, 具有稳定的承载能力和良好 的滞回耗能能力; 新型外 包钢筋 混凝 土钢 管防屈 曲耗 能 支撑 的恢 复 力模 型 可 采 用双 线性 模 型 来描 述 ; 新 型 外 包钢 筋混 凝 土钢 管防 屈 曲耗能支撑构造合理 , 耗能机理 明确 , 采用钢筋混凝土约束核心钢管的设计思想是可行的。 关 键词 : 外 包钢 筋
3、混凝 土 ; 防屈 曲耗 能支撑 ; 循 环 荷载试 验 ; 滞回 曲线 ; 骨架 曲线 中图分 类号 : T U3 5 2 1 文献标 志码 : A 文章 编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 2 1 0 8 Pe r f o r ma n c e o f Ne w。 t y p e S t e e l Tu b e Bu c kl i ng Re s t r a i n e d Br a c e wi t h Re i nf o r c e d Co nc r e t e Ou t s i d e DENG Xu e - s o n g,
4、Y ANG Y e bi n, ZHOU Yu n, CHEN Zh e n, ZOU Zh e n g - mm ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Gu a n g z h o u Un i v e r s i t y , Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6,P R Ch i n a ) Ab s t r a c t : A Ne w t y p e S t e e l Tu b e B u c k l i n g Re s t r a i n e d Br a c e wi t h Re i n f o r
5、 c e d Co n c r e t e o u t s i d e( S T B RB Re)wa s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r S i x s p e c i me n s o f t h e S T B RB RC we r e d e s i g n e d a n d c y c l i c l o a d i n g t e s t we r e c a r r i e d o ut t o s t ud y t he hy s t e r e t i c e n e r gy di s s i pa t i o n pe
6、 r f o r ma n c e o f t he s i x s p e c i me ns An d t he n, AB AQUS f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s wa s u s e d t o s t u d y t h e p e r f o r ma n c e o f f o u r s p e c i me n s Th e r e s u l t s i nd i c a t e d t ha t t he ST BRB RC h a d s t a bl e a n d f ul l hy s t e r e t i c
7、 c ur v e The b e a r i n g c a p a c i t y o f t he ST BRB RC wa s s t a b l e a nd t he b ys t e r e t i c be h a v i o r wa s e xc e l l e n t And t he a na l y s i s m o de l o f ST BRB_ RC c o ul d b e d e s c r i b e d b y a b i l i n e a r mo d e 1 Th e c o n s t r u c t i o n o f t h e S T B
8、 RB RC wa s r e a s o n a b l e ,a n d t h e e n e r g y d i s s i pa t i o n m e c h an i s m o f t h e ST BRB RC wa s c l e a r I t i s p r ov e d t ha t t h e de s i gn ph i l o s op hy o f u s i n g r e i n f o r c e d c on c r e t e f o r e x t e r i or r e s t r a i ne d e l e me n t wa s a v
9、a i l a bl e Ke y wo r ds : r e i nf o r c e d c on c r e t e ou t s i de; buc kl i n g r e s t r a i ne d br a c e; c y c l i c l o a d i ng t e s t ; hy s t e r e t i c c u r ve; b a c k bo ne C l 1 r y e 防屈 曲耗 能 支 撑 由 于具 有 性 能稳 定 、 减 震 效果 显著 、 施工安装方便等特点, 从而成为 目前研究和应 用较多的耗能构件。 日本神户地震 、 美国北岭地震 后 ,
10、其 在 日本 、 美 国 、 加 拿 大 和 我 国 台湾 地 区 得 到 了 较好 的应 用口 。近年来 , 防屈 曲耗 能支 撑在 中 国的 应用 也越来 越多 。 钢管作为一类主要 的受力构件 , 在建筑结构、 桥 梁结构等工程领域有广泛的应用 。但其作为受压杆 件时易出现屈 曲失稳现象, 从 而导致结构的失稳破 坏 。将 防止 钢管 发生 失 稳 又可耗 能 减震 的二重 钢 管 防屈曲耗能支撑应用于这些工程结构, 可 以有效地减 轻结构的地震反应, 进而防止结构破坏或倒塌。二重 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 7 1 3 基金项 目: 广东省 自然科学基金 团队项 目( 8 3
11、5 1 0 0 9 1 0 1 0 0 0 0 0 1 ) ; 广东省 自然科学 基金 ( 0 6 0 2 1 5 8 1 ) ; 广东 省科技计划 项 目 ( 2 0 0 7 B 0 3 0 4 0 1 0 1 0 ) 作者简 介: 邓雪 松( 1 9 6 7 - ) , 女 , 副教授 , 主要从事 工程抗震 和工程减震控制 , ( E ma i l ) d e n g 2 5 9 3 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4 卷 钢管防屈曲耗能支撑由日本学者首先提出, 加藤基规 等人建
12、立了二重钢管防屈曲耗能支撑的滞回性能分 析模型 , 研究了影响支撑核心单元钢管局部屈曲的参 数_ 7 ; 石井匠等人把二重钢管防屈曲耗能支撑安装在 一 幢钢筋混凝土建筑物外表面进行加固, 并进行了试 验研究 ; Yu j i KO E T A KA 等人 为防止二重钢管 防屈 曲耗能支撑发生平面外屈曲, 对支撑连接段与梁两者 间的刚度要求进行了研究 9 ; 广州大学的钱洪涛 】 、 杨叶斌 】 、 河北工程大学的贾建坡 】 和 内蒙古科技 大学的赵根田等_ 1 3 对双管式防屈 曲耗能支撑进行了 小比例试验和数值模拟 , 研究表明双管式防屈曲耗能 支撑性 能稳 定 , 耗能性能 良好 。 在二
13、 重钢 管 防屈 曲耗 能 支 撑 的基 础 上 , 提 出 了 一 种新型的外包钢筋混凝土钢管防屈 曲耗能支撑 , 并对其进行试验研究和有限元模拟分析。 1 新型外包钢 筋混凝 土钢管 防屈 曲耗 能支撑的构成 与设计 1 1 新型外 包钢 筋 混 凝 土钢 管 防 屈 曲 耗 能支 撑 的 构 成 新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撑由核 心钢管、 无粘结材料层 、 外约束钢筋混凝土三者组合 而成。核心钢管与两侧端板采用焊接相连 , 并在端 部设计加劲板 以加强端部 ; 无粘结材料层一般采用 橡胶 、 聚乙烯、 硅胶等制成 , 铺设在钢管外表面, 提供 钢管横向变形所需的空间 ; 外约束钢
14、筋混凝土提供 核心钢管受 压过程 中所需要 的整体 和局 部抗弯刚 度 , 其构成形式如图 1 所示 。 核心钢管 觅粘结材料层 外包钢筋混凝土 (a ) 新型外觎钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撵纵剖两图 ( b j 1 - 1 横截丽图 图 l 新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗 能支撑构成 图 相比传统 的核心单元为“ 一” 字型和“ 十” 字型 防屈曲耗 能支撑 , 新 型外 包钢 筋混凝 土 钢管 防屈 曲耗能支 撑采用 钢管 作为 核心 单元 , 有利 于 提高 支撑的承载能力 和抗弯抗扭 性能; 相 比于二重钢管 防屈曲耗能支撑, 新型外包钢筋混凝 土钢管 防屈 曲 耗能支撑的外约束采用钢
15、筋混凝土 , 节省 了用钢量; 相比于二重钢管防屈 曲耗能支撑 , 新 型外包钢筋混 凝土钢管防屈曲耗能支撑的 自重 略有增加 , 但钢筋 混凝 土 的 约束 形 式 解 决 了耗 能 支 撑 的 防 火 性 能 要 求 。 1 2 试 件 的设 计 根据试验设备 的实际尺寸和连接情况 , 设计 的 新型外包钢管混凝土钢管防屈曲耗能支撑 的构造如 图 2所示, 具体参数见表 1 。共设计 3组试件 ( 分别 为 I A B、 I I A B、 I I I A B ) , 为避免试件在制作和试 验安装时存在误差 , 导致试验失败 , 每组制作 2个尺 寸相 同的试件 , 共计 6 个试件 。外
16、约束钢筋混凝土 的纵筋为 4 q 1 0 , 箍筋为 6 1 0 0 ( 采用焊接连接) , 端 头 两端外 边包 裹长 为 4 0 0 mm、 厚 度为 5 mm 的钢 板 套管, 混凝土采用 C 3 0 , 保护层厚度 3 0 mm。 表 1 试验用外包钢 筋混凝土钢管 防屈 曲耗能支撑尺寸参数表 核心钢管的材料特性对新型外包钢筋混凝土钢 管防屈 曲耗能支撑 的滞 回耗 能能力 、 承载能力和延 性性能有影响, 因此在试件设计加工之前进行 了核 心钢管的材性试验 。试验结果显示 : 钢材 的屈服强 度为 3 9 5 MP a , 抗 拉 强 度 为 5 4 7 MP a , 伸 长率 为
17、1 9 0 , 弹性模量为 3 0 2 0 0 0 MP a , 因此 , 试 验所用 钢材属高强钢。 2 试验加载方案 2 1试验 装置 试验加载装置如图 3所示 。该液压作动器 的压 力量程为 1 0 1 3 2 k N, 拉力 量程为 6 4 7 。 6 k N, 作动 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 邓雪松, 等: 新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撑性能 器的行程为 2 5 4 mm, 力传感器安装在作动器上, 装如图 4所示。 采用拉 线位 移传感 器 测量试 件 的轴 向变 形 。试件 安 ( a ) 支撑横向构造周 i 8 1 4 1
18、1 3 7 23 0 0 I 9 5 i ( b ) 1 - 1 剖面图 ( c ) ll 劲板设计 图 2 试验用外包钢筋 混凝土钢管 防屈 曲耗能支撑构造 图 图 3 试验装置立面图 图 4试件安装图 2 2加载 制度 试验加载制度采用支撑变形幅值逐步增大的位移 控制加载 , 试验加载历程为分别 对应于 1 6 0 0( 5 m m) 、 1 3 0 0 ( 1 0 mm) 、 1 2 0 0( 1 6 mm) 、 1 1 5 0( 2 2 mm) 、 1 1 0 0 ( 3 2 ram) 、 1 7 5 ( 4 3 ram) 、 1 5 0 ( 6 4 ram) 支撑长度 , 拉 伸和压
19、缩往复各 2次变形_ 】 。但是 由于反力架会 有一定的位移 , 以及各个装置的配装 过程 中间隙的 存 在 , 经过 测试 , 在每 个 幅值 的基 础加 上 4 mm, 即是 将加载历程修正为 1 6 0 0 ( 9 ram) 、 1 3 0 0 ( 1 4 ram) 、 1 2 0 0 ( 2 O mm) 、 1 1 5 O ( 2 6 mm) 、 I 1 0 0( 3 6 ram) 、 1 7 5 ( 4 7 mm) 、 1 5 o ( 6 8 ram) 支撑长 度 。 3 试验过程与试 验现 象 试件 I A加载至 1 6 0 0时, 受压的过程 中钢管 和混凝 土 间产生 轻 微
20、的 摩擦 声 , 支 撑 一 端 在 靠 近 加 劲板处的混凝土抹灰层局部脱落 ; 加载至 1 3 0 0时, 抹灰脱落增多; 加载至 1 2 0 0时, 支撑另一端混凝土 出现细小裂缝 , 但支撑仍然保持整体稳定 , 承载力稳 定提高 ; 加载至 1 1 5 0时, 钢管和混凝土间摩擦声增 大 , 混凝土裂缝进一步加大 , 但支撑整体仍处于稳定 状态 , 没 有 出现 整体 和局 部 的屈 曲现 象; 加 载 至 1 1 0 0 时 , 混凝 土 明显破 碎 , 受 拉过 程 中被 拉 出 , 说 明 混 凝土 和核 心 钢管 间摩 擦 力 较 大 ; 加 载 至 1 5 0时 , 受 压过
21、 程 中端部 约 束 钢 板裂 缝 裂 开 , 混 凝 土 完全 开 裂 , 如图 5 ( a ) 所示, 支撑承载力下降, 在受拉 时, 听 到一声巨响, 钢管被拉断, 支撑失效。在试验之后 , 打开外包的约束钢板, 如图 5 ( b ) 所示 , 可见混凝 土 完 全开 裂和 核 心 钢 管 断 裂 。图 5 ( c ) 为 钢 管 拉 断 位 置 , 核心钢管断 口粗糙 , 有局部鼓起屈曲的迹象 。 试件 工 一 B的试验现象与 I A基本一致, 试件在 加 载 至 1 1 0 0第 1圈 时 , 其 中 一端 约 束 钢 板 焊 缝 裂 开 。在 第 2圈受压 过程 中 , 支 撑 出
22、现 了局 部屈 曲, 承 载力下降; 受拉过程 中, 突然 听到钢管断裂的声音 , 支撑承载力下降 , 支撑失效。试验完成后 , 将开裂的 端 部约束 钢 板 打 开 , 端 部 混 凝 土 完 全 碎 裂 , 如 图 6 ( a ) 所示。敲碎混凝 土, 发现核 心钢管的端部被 撕 裂 , 如图 6 ( b ) 所示 ; 且撕裂处有局部屈曲现象 , 如图 6 ( c ) 所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 邓雪松 , 等 : 新型 外 包钢 筋 混凝 土钢 管防屈 曲耗 能支撑
23、性能 A B 的 加 载 历 程 改 为1 6 0 0( 9 mm) 、1 3 o o S ( 1 4 mm) 、 1 2 0 0( 2 0 mm, 拉 为 1 4 mm) 、 1 1 5 0 ( 2 6 mm, 拉 为1 4 mm) 、1 1 0 0( 3 6 mm,拉 为 1 4 mm) 、 1 7 5 ( 4 7 mm, 拉为 1 4 ram) 、 1 5 0 ( 6 8 mm, 拉为 1 4 mm) , 每个幅值加载 2圈。 试件 一 A加 载至 1 6 0 0时 , 受 压过程 中, 核心 钢管和混凝土间产生轻微 的摩擦声 , 支撑一端靠近 加劲板的混凝土抹灰层局部脱 落, 另 一端
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