图1 支撑组装示意图
Fig.1 Assemblage of BRB
屈曲约束支撑(BRB)兼备了传统支撑和金属耗能阻尼器的功能，具有拉压对称性良好，滞回性能稳定的优点，可在多遇地震中增加结构的抗侧刚度，在罕遇地震中利用内核屈服后的塑性变形耗能。屈曲约束支撑的概念最早在 1971年由日本学者 Yoshino等[1]提出，之后在日本和美国得到了广泛应用[2－5]。近年来，随着国内高层、超高层建筑的兴建，屈曲约束支撑在我国的研究和应用也越来越多[6－11]。
屈曲约束支撑的内核材料是支撑耗能的关键。国内外学者对支撑所采用的内核材料进行了大量研究，文献[12―13]采用铝合金作为内核材料，文献[14]采用国产 Q235钢作为内核材料，文献[15―17]分别采用低屈服点钢LY100、LY160和LY225作为内核材料。
为了满足抗震结构用钢强度高、塑性好的要求，研发了新型抗震结构用软钢LY315。相比低屈服点钢和普通碳素钢，LY315具有更高的屈服强度，同时具有较好的塑性变形能力。将LY315钢材作为内核材料应用于屈曲约束支撑，可有效避免支撑在多遇地震中过早屈服，为结构提供足够的强度和刚度，在罕遇地震中也可利用良好的塑性变形能力消耗地震能量。
本文选用LY315钢材作为支撑的内核材料，设计了一种全钢型装配式屈曲约束支撑。该支撑形式具有轻质高强，设计灵活，便于安装和震后拆卸等优点，满足建筑工业化和装配式建筑的发展要求。对支撑试件进行了拉压往复加载试验，分析了其破坏模式、耗能性能和疲劳性能等。
设计加工了3根全钢型装配式屈曲约束支撑，支撑内核材料选用新型抗震结构用软钢LY315，其名义屈服强度为 315 MPa。支撑组装示意图如图 1所示。支撑外围约束由四角钢通过高强螺栓连接而成；内核为十字形对称截面，由主芯板和两侧的副芯板焊接而成，板厚均为14 mm，为避免焊接过程对支撑初始缺陷的影响，内核屈服段之间采用断续对边错焊的焊接方式，主芯板中间设置凸起作为限位卡机制，防止外围约束与内核之间产生相对滑移；无粘接材料为2 mm厚的硅胶，粘贴在内核钢板上，既可以减小外围约束与内核之间的摩擦力，也可以防止内核钢板的锈蚀。图2分别为内核钢板与外围约束的具体尺寸图。
图1 支撑组装示意图
Fig.1 Assemblage of BRB
图2 屈曲约束支撑试件尺寸图/mm
Fig.2 Geometric dimensions of BRB
按照GB/T 228―2002《金属材料 室温拉伸试验方法》[18]的要求，对内核钢材LY315进行了标准材性试验，试件厚度为14 mm，与内核钢板厚度一致。试验结果见表1。由表1可知，LY315的屈服强度高达290 MPa，远高于其他种类的内核钢材，而且其断后伸长率依然可以达到35.6%，表现出了该类钢材良好的塑性变形能力。
表1 LY315材性试验结果
Table 1 The results of material test for LY315
试件编号屈服强度fy/MPa极限强度fu/MPa弹性模量E/MPa 强屈比 断后伸长率A/(%)S1 293 448 2.10×1051.53 35.4 S2 283 452 2.02×1051.60 34.9 S3 294 449 2.07×1051.53 36.6平均 290 450 2.06×1051.55 35.6
试验在北京工业大学3000 kN阻尼器试验系统上进行，该实验系统最大水平动拉力为±3000 kN，最大速度为0.4 m/s，工作频率为0～20 Hz。试验装置如图3所示，主要由加载端和固定端组成，加载端可沿两侧横梁水平移动来固定不同长度的试件。支撑两端焊接端板，通过高强螺栓固接在试验机连接板上。
图3 试验加载装置图
Fig.3 The diagram of loading equipment
试验以位移控制加载，通过阻尼器系统记录试件轴向荷载和位移。为防止加载过程中固定端产生微小位移影响试验数据的准确性，在固定端处设置一拉线位移计，如图3(c)所示。支撑实际位移为试验机记录位移和拉线位移计之差。
文献[16]中分析了支撑变形与层间位移角的关系，根据GB 50011—2010 《建筑抗震设计规范》[19]，取弹塑性层间位移角限值1/50时，支撑最大变形位移值为总长度的1/100。根据JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》[20]中对BRB试验要求：依次在1/300、1/200、1/150、1/100支撑长度的位移幅值下拉压往复各 3次，实现轴向累计塑性变形至少为屈服变形的200倍。为了充分验证LY315钢屈曲约束支撑的塑性变形能力及耗能性能，本次试验在此基础上设置了较大的位移幅值。具体的加载方案见表2，表中L为支撑长度；图4为加载制度示意图。
表2 支撑加载方案
Table 2 Loading protocol
试件编号L/300L/200L/150L/100L/80L/60L/40L/30 LYBRB-1 3 3 3 3 3 3 3 至断裂LYBRB-2 3 3 3 3 3 3 至断裂LYBRB-3 3 3 3 30 3 3 至断裂位移幅值/mm 10 15 20 30 37.5 50 75 100
图4 加载制度示意图
Fig.4 Experimental loading scheme
试验开始前，均先进行拉压5 mm的预加载，检查各试验设备是否能正常工作。加载开始3根试件无异常现象，至后期均发出断续声响，推测为内核钢板与外围约束角钢摩擦产生。试件LYBRB-1、LYBRB-2、LYBRB-3分别在L/30位移幅值的第1圈、L/40位移幅值的第3圈和L/40位移幅值的第1圈发生破坏，此时发出较大声响，随即承载力迅速下降，停止加载。图5为支撑破坏后内核整体和局部断面的照片。从中可以看出，LYBRB-1的破坏位置大概在支撑的1/3处，主芯板发生断裂，断面表现出颈缩特征，厚度方向缩小为12 mm，宽度方向缩小为90 mm，副芯板未发生断裂；LYBRB-2破坏位置大概在支撑的1/2处，主、副芯板均发生断裂，颈缩特征明显，主芯板厚度方向缩小为10 mm，宽度方向缩小为 91 mm，副芯材厚度方向缩小为10 mm，宽度方向缩小为34 mm；LYBRB-3的破坏位置大概在支撑的1/2处，主、副芯板均发生断裂，也表现出明显的颈缩特征，主芯板厚度方向缩小为11 mm，宽度方向缩小为93 mm，副芯材厚度方向缩小为10 mm，宽度方向缩小为36 mm。3根试件的内核钢板都表现出了明显的多波屈曲形态，副芯板尤为显著，符合文献[21]中分析的屈曲约束支撑工作机理。从断面形状来看，支撑内核的破坏形式主要为拉伸和扭转破坏。
图5 试件破坏特征
Fig.5 Failure characteristics of specimens
图6为各试件的荷载-位移滞回曲线，图中受拉荷载为正，受压荷载为负。可以看出，各滞回曲线均表现出丰厚、饱满的特征，而且形状基本对称，规律性较好，未出现承载力和刚度的突变。表明以LY315钢材作为内核材料的屈曲约束支撑具有稳定良好的耗能性能。
图6 试件滞回曲线
Fig.6 Hysteresis curves of specimens
BRB试件各项试验参数汇总于表3。表中屈服位移Dy按式(1)计算；极限位移为滞回曲线中的最大拉位移；受压承载力调整系数β为同一圈滞回曲线中最大受压荷载与最大受拉荷载的比值，反映支撑的拉压不对称性；抗拉应变强化系数ω按式(2)计算。
式中：fy为LY315钢材的屈服强度；L为BRB的长度；E为LY315钢材的弹性模量；
式中：Pmax为最大受拉荷载；A0为BRB内核屈服段截面积。
文献[6]中指出支撑最大变形要求一般在 10倍受拉屈服位移以内，而3个BRB试件的最大位移延性系数Dy/Du均大于15，表明此类支撑有良好的延性。由图6和表3可知，在L/100位移幅值下，支撑最大受拉荷载和最大受压荷载较为接近，拉压对称性较好，随着循环圈数的增加，支撑拉压不对称的情况愈发明显；在L/40位移幅值下，LYBRB-1、LYBRB-2的受压承载力调整系数均为 1.29，小于1.3，满足美国规范ANSI/ AISC 314-05[22]的要求，而LYBRB-3的受压承载力调整系数为1.34，不满足规范要求，分析该试件是由于在L/100位移幅值下进行了 30圈的疲劳加载，导致了极限受拉承载力发生退化。在L/40位移幅值下，3个试件的抗拉应变强化系数在1.21～1.29，均大于在L/100位移幅值下的ω值，表明支撑内核随着循环圈数的增加有明显的应变强化特征。
表3 试件各项力学性能参数
Table 3 Mechanical property parameters of specimens
试验编号 屈服位移Dy/mm极限位移Du/mmDy/DuL/100位移幅值下最大荷载L/40位移幅值下最大荷载受拉荷载/kN 受压荷载/kNβ1ω1受拉荷载/kN 受压荷载/kNβ2ω2LYBRB-1 4.22 64.47 15.28 795.68 840.24 1.06 1.05 965.73 1246.38 1.29 1.28 LYBRB-2 4.22 66.53 15.76 783.72 849.76 1.08 1.04 974.27 1265.54 1.29 1.29 LYBRB-3 4.22 71.37 16.91 790.19 844.87 1.07 1.05 912.02 1222.94 1.34 1.21
等效粘滞阻尼比基于能量耗散相等的原理，可以反映出各试件的耗能性能。其值可由式(3)计算得到，图7为等效粘滞阻尼比的计算示意图。
文献[23]指出，BRB试件的ξ值随着加载位移的增大而逐渐增大，取破坏前最后一圈的滞回曲线进行计算，LYBRB-1、LYBRB-2、LYBRB-3的等效粘性阻尼比分别为 0.451、0.465和 0.442。理想弹塑性曲线对应的等效粘滞阻尼比 0.637，可见此类支撑有很好的耗能性能。
累积塑性变形(cumulative plastic deformation,CPD)为支撑在拉压往复加载过程中总的塑性变形与屈服位移的比值，反映支撑的塑性变形能力和耗能性能。
图7 等效粘滞阻尼比计算示意图
Fig.7 Calculation of equivalent viscous damping ratio
按文献[23]中的方法进行计算，LYBRB-1、LYBRB-2、LYBRB-3的 CPD 值分别为 525、533和1172，均远大于美国规范ANSI/ AISC 314-05[22]中的最小限值200。
试验过程中，为了研究试件的疲劳性能，对LYBRB-3在L/100位移幅值下进行了30圈的循环往复加载，图8为其循环疲劳测试下的荷载-位移曲线。
图8 LYBRB-3疲劳滞回曲线
Fig.8 Fatigue hysteretic curves of LYBRB-3
计算出每一循环最大、最小阻尼力分别与其对应均值的比值γN1、γN2；每一循环位移为零时最大、最小阻尼力分别与其对应均值的比值γN3、γN4；每一循环阻尼力为零时最大、最小位移分别与其对应均值的比值γΔ1、γΔ2；每一循环滞回曲线面积与其对应均值的比值γA。根据JGJ 297―2013《建筑消能减震技术规程》[24]的要求，将所有疲劳参数比值与上、下限值进行比较，如图9所示，所有参数比值均在 0.95～1.04波动，说明试件LYBRB-3有良好的低周疲劳性能。
试件LYBRB-3经历30圈的循环加载后仍加载至L/40位移幅值下破坏，说明试件经历疲劳荷载依然有相对稳定的力学性能。
图9 疲劳性能参数比值
Fig.9 Ratios of fatigue performance parameters
本文对 LY315钢屈曲约束支撑进行了拉压往复加载试验，分析了其破坏模式、耗能性能和疲劳性能等。主要结论如下：
(1) 试验结果表明，以LY315钢材为内核材料的屈曲约束支撑构造合理，有效防止了过早压曲，而且力学性能稳定，有较高的实际应用价值。
(2) 试件的滞回曲线饱满，耗能能力良好；最大位移延性系数均大于 15，表明试件有良好的延性；抗拉应变强化系数在1.21～1.29，表明试件有明显的应变强化特征；受压承载力调整系数基本满足规范要求，随着加载幅值和循环圈数的增加，拉压不对称现象逐渐明显。
(3) 试件的等效粘性阻尼比在 0.442～0.465；累积塑性变形均大于500倍的屈服位移，LYBRB-3高达1172倍。两个参数都达到了较高水平，表明试件具有良好的耗能性能和塑性变形能力。
(4) 对 LYBRB-3的疲劳试验进行分析，各项参数均满足JGJ 297―2013《建筑消能减震技术规程》的要求，而且试件在循环疲劳加载过后仍然加载至L/40位移幅值下破坏，表明试件具有良好的疲劳性能。
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EXPERIMENT ON ENERGY DISSIPATION PERFORMANCE OF LY315 STEEL BUCKLING-RESTRAINED BRACES
施 刚(1977―)，男，安徽人，教授，博士，博导，从事结构工程研究(E-mail: shigang@Tsinghua.edu.cn);