新型外包钢筋混凝土钢管防屈曲耗能支撑性能

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发布时间：2021-09-03

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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510006)
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ABAQUs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：TU352．1 文献标志码：A 文章编号：1674—4764(2012)01-0021—08
Performance of New。—type Steel Tube Buckling——Restrained
Brace with Reinforced Concrete Outside
DENG Xue-song，YANG Ye—bin，ZHOU Yun，CHEN Zhen，ZOU Zheng-mm
(School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，P．R．China)
Abstract：A New—type Steel Tube Buckling—Restrained Brace with Reinforced Concrete outside(ST—BRB—
Re)was introduced in this paper．Six specimens of the ST—BRB—RC were designed and cyclic loading test
were carried out to study the hysteretic energy dissipation performance of the six specimens． And then，
ABAQUS finite element analysis was used to study the performance of four specimens． The results
indicated that the ST—BRB—RC had stable and full hysteretic curve．The bearing capacity of the ST—BRB—RC
was stable and the bysteretic behavior was excellent． And the analysis model of ST—BRB_RC could be
described by a bilinear mode1． The construction of the ST—BRB—RC was reasonable，and the energy
dissipation mechanism of the ST—BRB—RC was clear． It is proved that the design philosophy of using
reinforced concrete for exterior restrained element was available．
Key words：reinforced concrete outside；buckling—restrained brace；cyclic loading test；hysteretic curve；back—
bone Cl1rye
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，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：2010—07—13
基金项目：广东省自然科学基金团队项目(8351009101000001)；广东省自然科学基金(06021581)；广东省科技计划项目
(2007B030401010)
作者简介：邓雪松(1967-)，女，副教授，主要从事工程抗震和工程减震控制，(E—mail)deng2593@163．corn。
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22 土木建筑与环境工程第34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；Yuji KOETAKA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 (bj 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、II—A／B、III—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。外约束钢筋混凝土
的纵筋为4q~10，箍筋为 6@100(采用焊接连接)，端
头两端外边包裹长为400 mm、厚度为5 mm 的钢板
套管，混凝土采用C30，保护层厚度30 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395 MPa，抗拉强度为547 MPa，伸长率为
19．0 ，弹性模量为302 000 MPa，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1 013．2 kN，拉力量程为647