頻率效應對屈曲約束支撐耗能性能的影響

謝志秦

(西安職業技術學院,陜西 西安 710000)

1 研究背景

屈曲約束支撐是一種于受拉與受壓時均能屈服但不屈曲的軸力構件,力學行為穩定,具有優良的抗疲勞性質,因此具備消能構件的功能。近年來,試驗證實,屈曲約束支撐不僅可以有效提升結構的整體的剛度又可吸收地震力的能量,并且其可改善傳統支撐可能于側向產生屈曲的缺點具有良好的消能機制。

由于我國針對屈曲約束支撐的研究較晚,但是進展很快,前期工程中使用的屈曲約束支撐部分依賴進口,工程造價相對較高,近年國內針對屈曲約束支撐的研究內容主要是以我國的國情為出發點,提出新型式的具有良好耗能性能的屈曲約束支撐 ,如同濟大學李國強等提出了各種樣式的屈曲約束支撐并申請成專利[1]。

2 研究內容

地震力作用于建筑結構時候,由于屈曲約束支撐要在建筑構件屈服前先發生屈服,消耗傳入結構的地震能量,鋼材的性能直接影響建筑物的抗震性能。在屈曲約束支撐進行設計時,支撐的屈服位移是很重要的設計參數。所以以往在屈曲約束支撐進行測試時,加載過程主要采用位移控制,加載制度主要采用的是美國鋼結構協會(AISC)于2010年頒布的鋼結構抗震規范規定的屈曲約束支撐的加載歷程[2],其中關于測試時的加載速率并未做相關的規定,目前國內外在做關于支撐測試時均采用加載速率為恒定速率,一般取0.05mm/s左右[3],加載過程比較緩慢。但是在實際地震過程中,支撐在地震力作用下的變形速率遠大于0.05mm/s,且速率不恒定。

根據先前的試驗過程發現,在屈曲約束支撐測試過程中,即支撐已經屈服但未破壞時,暫停加載一段時間后繼續加載至完全破壞,該支撐的累積非彈性變形量遠高于持續加載至完全破壞時的累積非彈性變形量[4]。在停止加載期間,主受力單元消能段變形產生的熱量可以完全消散,結構晶體重組,進而提高支撐耗能能力。在持續加載過程中,消能段在變形過程中產生的熱量部分可以及時的消散,但是仍有部分熱量未能消散進而可能會對支撐的耗能性能產生影響。

在實際地震大速率作用下,消能段變形其結構內部產生的熱量不能夠及時消散出去時,屈曲約束支撐的性能可能不滿足規定要求達到抗震耗能的目的,且鋼結構的設計標準是在材料靜強度指標下建立,所以采用鋼材的靜強度分析屈曲約束支撐的耗能存在一些弊端。文章針對大部分屈曲約束支撐使用的材料Q235鋼材,分析頻率效應對鋼材效應的影響。

四川大學王睿東[5]使用酒泉鋼鐵集團生產的250mm厚Q235低碳鋼材進行了低周、超低周及高頻率試驗疲勞行為進行了研究。在常溫下使用島津電液伺服疲勞試驗機進行低周疲勞測試,測試時應變速率為0.005s^(-1),單項應變幅值Δε分別取0.3%,0.4%,0.6%,0.7%和0.8%六組。同樣在常溫下采用微機控制高頻試驗機進行高頻試驗,在此過程中試件所受荷載為F=F0+Fasin(2πf), f為諧振頻率,F0為靜荷載,Fa為動荷載。

兩組的試驗結果可以看出,由于在高頻作用下,材料變形來不及響應即時的應力,每次加載時材料破壞程度也相對較小,材料的強度在一定范圍內有所提高。且從材料本身的組織結構來看,由于不同的晶體結構可動滑移的個數不同,應變速率的變化導致位錯運動和位錯結構存在不同,應變速率的增加,材料的屈服強度隨之增加,但是斷裂韌度下降。而材料的疲勞性能與斷裂韌度和屈服強度均相關。總體來說高頻率荷載作用下,材料的疲勞壽命也越長。

從兩組試驗試件的斷口可知,低周試驗中,裂紋由表面晶體錯位引起,高頻實驗的破壞由內部雜物引起的裂紋,但兩者的破壞表象均為疲勞破壞,因此加載頻率的不同對試件的破壞形式沒有影響。

3 結語

文章通過探討屈曲約束支撐的實際受力狀態,對鋼材在不同頻率作用下的疲勞特性及破壞特性進行分析,加載頻率的增加,材料的疲勞壽命有所提高,起破壞形式均為疲勞破壞。具體的破壞形式主要與材料本身和加載應力、疲勞壽命有關,與頻率沒有相關性。