負泊松比結構在耗能減振構件中的應用前景

張彬 張博濤 劉江文

武漢理工大學 湖北 武漢 430000

從長遠來看，地震、海嘯和臺風等自然災害都對建筑的施工、運營和養護等階段產生不利影響。特別是地震會嚴重威脅建筑物的穩定性。根據全球災害數據平臺顯示，中國近一年災害頻次位列全球第六，自然災害已對國家發展造成嚴重影響。因此，對建筑結構減振系統的研究勢在必行。

防屈曲支撐作為一種常用的耗能減震構件[1]，能夠通過內核鋼芯的滯回變形消耗地震能量，從而保護建筑物的穩定；負泊松比材料由于其多孔的內部構造，使其具有吸能隔振的優點，可有效降低沖擊力。本文對防屈曲支撐以及負泊松比材料的研究與應用進行論述，并對負泊松比材料在防屈曲支撐中的應用提出一種實施方式。

1 防屈曲支撐的應用

1.1 工作原理

防屈曲支撐構件一般由耗能核心層、約束層和無粘結材料組成。耗能核心層與外部結構連接，直接承擔外部荷載，受軸向力作用；它在正常使用狀態下，處于彈性階段，增大結構的剛度；在地震作用和極端荷載作用下，耗能核心層進入塑性階段，通過塑性變形消耗部分地震能量，提高結構的抗震能力。約束層約束耗能核心層變形，使其盡量僅發生軸向變形，防止其發生整體屈曲，甚至幫助耗能核心層形成多段屈服，使其通過屈服耗能而不會失穩破壞；耗能核心層應具有足夠的抗彎能力，它與耗能核心層之間由無粘結材料填充，以消除兩者之間的摩檫力，使得耗能核心層能夠自由伸縮，并避免受到過大的軸向力。

1.2 鋼管混凝土防屈曲支撐

20世紀60年代，關于鋼管混凝土防屈曲支撐的理論與應用開始出現，是世界上最早的一種實用型防屈曲支撐。其設計原理與鋼管混凝土柱相似，其外部約束單元能對耗能核心構件提供更好的約束作用，使其長期保持良好的滯回耗能性能。其核心耗能構件的截面形式可以為一字型以及十字形等，研究表明十字形核心芯板構件與混凝土的間隙可取1-2mm，中間填充無粘結材料減少兩者的摩檫力[2]。

1.3 雙鋼管、三重鋼管防屈曲支撐

在鋼管混凝土防屈曲支撐的基礎上，雙鋼管以及三重鋼管防屈曲支撐的研究也逐漸得到廣泛應用。其特點是耗能構件與約束構件均為鋼管，外部約束鋼管抵抗核心構件的彎曲，由于雙鋼管組合約束形式具有更好的約束能力，可有效防止耗能核心層屈曲，具有良好的耗能性能與力學性能[3]。研究表明內芯與內圓鋼管之間的間隙可為 1-4mm ，避免產生多波屈曲和局部失穩現象，支撐的承載能力隨著內芯寬厚比的增大而減小，支撐的的力學性能也隨著約束比的增大趨于穩定。同時內部無需填充混凝土，大幅度降低構件自重，實現構件的輕量化。

1.4 裝配式防屈曲支撐

為進一步滿足現代建筑抗震的需求，以及響應“雙碳”戰略和建筑工業化的要求，相關學者提出裝配式防屈曲支撐，主要使用型鋼與鋼板進行組合，使用螺栓將防屈曲支撐的外部約束單元連接成一體，消除了混凝土澆筑與養護所帶來的問題。與傳統的防屈曲支撐構件相比，具有便于運輸、可現場組裝、便于拆卸的優點，可實現構件損壞后的修復與更換。此外使用鋁合金等金屬材料，還可以提高構件的耐腐蝕性，適用于海洋等耐腐蝕要求較高的工程。但是由于螺栓孔的削弱作用，連接部位的截面尺寸應相應增大；同時應重視焊接殘余應力造成的影響。

1.5 新型防屈曲支撐

纖維復合增強材料（FRP）在工程中已有較為廣泛的應用，主要應用于構件的加固，具有耐腐蝕、輕質高強等優點。在防屈曲支撐構件中使用纖維復合增強材料，可以大幅降低構件的自重，減少鋼材和混凝土的使用，利于節約資源。

2020年，孫洪鵬提出一種新型GFRP管防屈曲支撐，并通過試驗與理論結合的方式，研究得出GFRP具有較高的環向強度，能夠有效約束核心耗能構件，防止局部屈曲，并展現出優越的耗能能力。

2023年，譙鴻程提出一種三管式GFRP-鋁合金防屈曲支撐，核心耗能構件為鋁合金管，內外約束構件采用GFRP纏繞管，通過實驗與理論結合的方式，研究得出該新型GFRP-鋁合金防屈曲支撐具有飽滿的滯回曲線，抗震效果良好，降低了結構30%-45%的層間位移角，有利于維持結構的穩定性。

2 負泊松比材料的研究與應用

2.1 材料特性

相比現在常用的材料，負泊松比材料由于具有不同于普通材料的獨特性質，其在受拉時膨脹，受壓時收縮，即“拉脹”效應。如圖1所示，其最具代表性的結構為內凹六邊形蜂窩結構。這也使負泊松比材料在很多方面擁有其他材料所沒有的性能，如提高了材料的剪切模量、回彈韌性以及抗沖擊性能等[4]。

圖1 負泊松比內凹六邊形蜂窩結構

由經典彈性理論可知，材料的剪切模量G、體積模量K、泊松比的關系如式1-1所示。由此可知，當泊松比為負時，材料具有較高的剪切模量，當材料的泊松比趨于-1時，其剪切模量趨于無窮大。因此，負泊松比材料抵抗剪切變形的能力較強，但相對容易發生體積變形，從而被壓縮。

相較于傳統材料，負泊松比材料具有更好的抗斷裂性。相較于傳統材料，負泊松比材料中發展裂縫所需要的能量更多，故其抗斷裂性也更強。實驗表明，相較傳統材料，負泊松比材料具有接近兩倍的抗斷裂性能。

2.2 負泊松比材料在緩沖裝置中的應用與研究

負泊松比材料在受到沖擊荷載時，材料在荷載作用下豎向收縮的同時，由于負泊松比效應也產生橫向收縮，導致材料匯集至受沖擊處，產生“拉脹”效應，加強了受沖擊處的力學性能。這一特性使得負泊松比材料具有相對優異的抗沖擊性能，同時不易在沖擊荷載下產生壓痕。

由圖1可知，負泊松比材料具有多孔結構，其特殊的內部構造使負泊松比材料具有較好的吸能隔振效果。同時，負泊松比材料的耐沖擊特性、耐斷裂特性，使其在吸能緩沖方面有良好的應用前景[5]。

閆鵬等人研究了雙箭頭蜂窩負泊松比材料的吸能減震性能，通過有限元建模分析，研究了其在沖擊荷載下的吸能特性，結果表明相較傳統緩沖材料，負泊松比材料作在用于防護結構中時，其減震效果更好[6]。

魯超宇等人還探討了負泊松比材料在高墜防護及緩沖系統中的應用。結果表明，由于負泊松比的“拉漲”作用，導致被撞擊區域強度顯著提高，因此可吸納更多的撞擊能量，延長耐沖擊時間，同時保證人體的最大加速度不大于5.5g，從而有效地保障安全性[7]。

3 一種具有負泊松比效應的防屈曲支撐

3.1 有負泊松比效應的防屈曲支撐模型建立

現針對傳統防屈曲支撐耗能能力較弱，通過澆筑混凝土形成內部約束造成構件自重大，生產周期長，工序復雜等缺陷，通過結合負泊松比材料吸能隔振的特性，提出一種具有負泊松比效應的防屈曲支撐，以提高構件的耗能減振效率，節約鋼材用量，延長構件使用效率壽命，實現綠色低碳化目標。

該新型防屈曲支撐的爆炸示意圖如圖2所示，主要包括耗能管1，內外約束管31和32及連接主體節點板的連接結構5、配合部51、固定螺母6；耗能管上設有周期排列的多個負泊松比胞元，使得耗能管具有負泊松比效應：在受到軸向壓力時，能夠沿自身徑向收縮；在受到軸向壓力時，能夠沿自身徑向擴張；約束管包括外約束管和內約束管，外約束管套設于耗能管外，內約束管設于耗能管內，且內約束管、耗管及外約束管沿徑向間隔布置；兩端采用十字板與主體連接，并將其完全暴露在約束管外。上述構件均可在工廠預制，各構件可通過螺栓或焊接連接。

圖2 具有負泊松比效應的防屈曲支撐構件示意圖

3.2 具有負泊松比效應的防屈曲支撐特征

所述的具有負泊松比效應的防屈曲支撐構件，其特征在于，其耗能管上具有周期排列的多個負泊松比胞元，所述負泊松比胞元的形式可以為橫豎正交橢圓形、橫豎正交異構形、肋條缺失形、橫豎正交菱形、內凹六邊形、單層星型及多層星型等。以橫豎正交橢圓形為例，圖3為耗能管的示意圖。防屈曲支撐構件其內約束管、外約束管采用正泊松比的鋼管，與耗能管之間均填充有彈性無粘性材料，以減少內、外約束管與耗能管之間的摩擦和受到的軸向力。其中彈性無粘性材料可以選用橡膠、聚乙烯、硅膠、乳膠等，并且所述耗能管與外約束管、內約束管之間的間隙距離D1和D2控制在1-2mm，保證防屈曲支撐具有穩定的力學性能。

圖3 具有負泊松比胞元的耗能管示意圖

3.3 具有負泊松比效應的防屈曲支撐工作原理

該防屈曲支撐在受到軸向壓力時，耗能管由于負泊松比效應將沿徑向收縮，內約束管則沿徑向擴張，兩者發生相對運動，相比一般的防屈曲支撐，對耗能管的約束更強，有助于耗能管產生高階屈服并避免屈曲，從而提高耗能效率。同理，受到軸向拉力時，耗能管將沿徑向擴張，外約束管沿徑向收縮，也會發生相對運動，可獲得相同的效益。同時，負泊松比結構還具有較大的和阻尼突出的吸能效果，可有效減小主體受到的地震作用。

3.4 具有負泊松比效應的防屈曲支撐的優勢

此設計能夠巧妙利用負泊松比結構的變形特點和獨特的力學性能，大幅提升構件的耗能減振的能力，并能在小震作用下給外部結構提供一定的抗側移剛度。如此構造也可使得構件具有更大的耗能能力和更好的延性，延長構件使用壽命；同時能夠實現構件的輕型化，提高構件的可靠性；且加工方便，縮短生產周期，符合當下的“雙碳目標”和建筑工業化的背景。

4 結語

綜上，探索新型耗能減振構件以提高建筑物在地震等自然災害中的穩定性，是構建綠色建筑、促進建筑業可持續發展的重要部分。防屈曲支撐作為傳統的耗能減振構件，與具有“拉脹效應”的負泊松比材料相結合，以提高防屈曲支撐構件的耗能能力和使用壽命，可以運用到綠色建筑的設計中，具有巨大的研究前景。