屈曲约束支撑
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技术原理:

一、基本原理

支撑可使框架具备更高的抗侧刚度,但传统的框架—支撑结构中的普通支撑存在受压屈曲问题,拉压滞回曲线明显不对称,中震和大震时的往复荷载极易造成支撑本身失稳破坏或连接失效,耗能能力大为降低,难以有效地消耗地震能量,往往不能满足工程抗震的需求。由于支撑屈曲不利于能量耗散,因此相对于传统支撑提出了一种新的可以避免受压低阶屈曲的支撑,即屈曲约束支撑(BRB),两种支撑的受力特性对比如图2所示。

 

1 支撑体系与非支撑体系荷载位移曲线对比

2 防屈曲支撑与传统支撑的力学特性对比

 

3 屈曲约束支撑的构造

    屈曲约束支撑的基本构造如图3所示。尽管目前BRB形式多样,但原理基本相似。支撑的中心是钢芯,钢芯在工作时仅承担拉、压力,截面形式一般有一字形、十字形、H 形、工字形以及矩形等,常见的为十字形。为避免钢芯受压时整体屈曲,即在受拉和受压时都能达到屈服,钢芯被置于一个钢套管内,然后在套管内灌注混凝土或砂浆。为减小摩擦力,在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常薄的空气层,允许钢芯在外包材料中伸缩。无粘结材料一般有橡胶、聚乙烯、树脂胶、硅胶、乳胶等。屈曲约束支撑一方面可以克服传统支撑受压屈曲,另一方面具有金属阻尼器的耗能能力,使得主体结构基本处于弹性范围内。因此,屈曲约束支撑可以全面提高框架结构的抗震性能(如表1所示)。 

 

1 屈曲约束支撑框架与传统普通支撑框架抗震性能比较

状态

传统普通支撑框架

屈曲约束支撑框架

主体结构

普通支撑

主体结构

屈曲约束支撑

 

小震

弹性

弹性

弹性

弹性

中震

弹性或塑性

弹性或塑性

弹性

塑性(耗能)

大震

塑性

屈曲

弹性或塑性

塑性(耗能)

中、大震后

拆除损坏部分、影响建筑使用

免维护,可更换,不影响建筑物使用

二、产品优点

   与普通支撑相比,屈曲约束支撑具有以下优点:

承载力高                

 消能减震,提高适用性

屈曲约束支撑在弹性阶段工作时,可为结构提供很大的抗侧刚度,用于抵抗小震以及风荷载的作用,减小侧移,提高适用性。屈曲约束支撑在弹塑性阶段工作时,变形能力强、滞回性能好,如同性能优良的消能阻尼器,可用于抵御强烈地震作用。

 保护主体结构

屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力,在大震下可起到保险丝的作用,用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏。免维护,大震后可更换。

 减小相邻构件受力

   与传统支撑相比,采用屈曲约束支撑,可大大减小与支撑相邻构件的内力(包括基础),减小构件截面尺寸,降低结构造价。

  屈曲约束支撑有多种连接方式,如:螺栓连接、焊接连接、销轴连接等。可根据现场施工状态及工期调整,经济方便快捷。

  支撑的刚度和强度很容易调整,设计灵活。在非弹性分析中也可以方便地模拟其滞回曲线;

    在抗震加固中,BRB比传统的支撑系统更有优越性。

 

三、产品介绍

        屈曲约束支撑分为三段:工作段、过渡段和连接段(见图4)。工作段为实际的耗能段,在地震作用下,它先于主体结构进入弹塑性阶段,在反复拉压下屈服耗能,以达到保护主体结构的目的。钢芯采用延性好、低屈服点的钢材。连接段是防压曲支撑和主体结构的连接部分,截面面积大于工作段以确保处于弹性状态,一般有刚接和铰接两种。过渡段是工作段和连接段之间的过渡部分,截面要平缓过渡,防止出现应力集中。具体工程应用时,需将连接段与既有结构的重要节点可靠连接,使主体结构与支撑结构协同工作。

 

4 双角钢错十字截面屈曲约束支撑的构造

 

  

5 科而泰公司生产的屈曲约束支撑产品实物图

 产品在投入实际工程应用前,在北京工业大学国家重点试验室进行多次试验,试验研究表明,青岛科而泰公司生产屈曲约束支撑产品的性能,满足美国ANSI/AISC341-05 美国钢结构抗震设计规范)、国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)和中国工程建设标准化协会标准《端板式半刚性连接钢结构技术规程》。试验设置及部分试验结果分别如图6和图7所示。

6 试验装置的布置

 

 

7 屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线

    芯材采用低屈服点钢材,也可使用市场普遍供应的Q235钢材。

屈曲约束支撑芯材所采用的钢材质量指标应符合国家标准《碳素结构钢》或《低合金高强度结构钢》的要求,且有产品质保书,表3为钢芯力学性能。外套筒钢板应平整、无锈蚀,并应符合《钢结构工程施工质量验收规范》中的有关规定。内部芯材的连接焊缝应满足一级探伤要求。

3屈曲支撑芯板屈服段钢材性能指标

屈曲约束

支撑类型

屈强比

伸长率

冲击功韧性

屈服强度波动范围

耗能型屈曲

约束支撑

0.8

30%

27J

(常温)

Q160(140 MPa180 MPa)

Q225(205 MPa245 MPa)

Q235(235 MPa295 MPa)

屈曲约束支

撑型阻尼器

0.8

40%

27J

0℃

Q160(140 MPa180 MPa)

Q225(205 MPa245 MPa)

承载型屈曲

约束支撑

0.8

20%

27J

(常温)

Q235(235MPa)

Q345(345 MPa)

Q390(390 MPa)

Q420(420MPa)

四、设计方法

在建筑物弹性设计阶段,屈曲约束支撑框架体系与普通支撑框架体系的设计方法基本相同,但在支撑布置、构件验算、节点设计等方面有所不同。在地震区,普通支撑可布置成X 型,但是屈曲约束支撑由于其特殊的构造方法,不可选用X 型支撑布置(如图10 所示)。构件验算过程中,屈曲约束支撑不需要进行稳定验算,仅需要进行强度验算,而普通钢支撑的稳定验算是其最主要的验算内容。现行《高层民用建筑钢结构技术规程》中规定普通钢支撑的节点连接承载力应不小于1.2 倍支撑净截面抗拉强度。为保证支撑的耗能能力,屈曲约束支撑节点连接承载力应不小于1.2 倍支撑的极限承载力。塑性设计阶段,如采用动力时程分析方法,屈曲约束支撑滞回模型可采用简单的双线性滞回模型,而普通钢支撑应采用拉压不对称的滞回模型,如图11所示。

 

图10支撑X 型布置

11 支撑滞回模型

 

                             通过综合比较分析,屈曲约束支撑于普通支撑框架结构设计特点如表4 所示。

                           

 

1、支撑布置原则

屈曲约束支撑应布置在能最大限度地发挥其耗能作用的部位,同时不影响建筑功能与布置,并满足结构整体受力的需要。屈曲约束支撑可依照以下原则进行布置:

1)地震作用下产生较大支撑内力的部位。

2)地震作用下层间位移较大的楼层。

3)宜沿结构两个主轴方向分别设置。

4)可采用单斜撑、人字型或V 型支撑布置(如下图12所示),也可采用偏心支撑的布置形式,当采用偏心支撑布置时候,设计中应保证支撑先于框架梁屈服。

 

                                            

12 屈曲约束支撑布置

2、支撑等效截面面积

结构设计中,为便于计算分析,常采用等截面的杆单元模拟屈曲约束支撑,而屈曲约束支撑受力芯板截面沿长度方向变化,如图13 中实线所示。因而需要将芯板等效为一根刚度与芯板刚度相同的等截面杆件,使单元的轴向刚度应与屈曲约束支撑的轴向刚度相等。基于以上的分析,给出了不同类型屈曲约束支撑的等效截面面积Ae 。支撑长度越长,等效截面面积与芯板屈服段的截面面积越接近。

                                 

 

13 屈曲约束支撑受力芯板示意图

 

5 屈曲约束支撑等效面积Ae与芯板屈服段截面面积A1关系

屈曲约束支撑长度 

A1/Ae

L≤3mm

0.85

L=6

0.90

L=9

0.95

L≥12m

0.99

注:

①  对于屈曲约束支撑的长度在表中所列长度之间的,可取插值;

②   表中A1/Ae的比值仅供估算支撑的屈服承载力用,对于特定的支撑,该比值可能与表中所列之值存在差异,此时应以实际比值为准;

③  本表格仅适用于耗能型屈曲约束支撑和承载型屈曲约束支撑,不适用于屈曲约束支撑型阻尼器。

3、支撑承载力

屈曲约束支撑有三种承载力,即设计承载力、屈服承载力、极限承载力,在结构设计中适用于不同的情况。屈曲约束支撑系列产品的设计承载力、屈服承载力和极限承载力数值见专用设计手册,设计人员可直接选用。

 3.1 支撑设计承载力

设计承载力是弹性承载力,用于静力荷载与小震分析设计验算,一般情况下先估计一个支撑吨位并确定支撑芯板材料,然后用附录一表可以查到对应支撑构件中的等效截面面积Ae,定义一个截面为Ae 的二力杆进行整体弹性分析,对于支撑构件本身的验算采用轴力包络最大值与支撑的设计承载力(附录一表中可以查)进行比较,小于支撑的设计承载力就为弹性合格;支撑的设计承载力是按下式计算得到的:

Nb = 0.9A1fy               3-1)

式中:Nb—屈曲约束支撑的轴向承载力设计值;

A1—屈曲约束支撑芯材截面面积;

fy—屈曲约束支撑芯材强度设计值。

3.2 支撑屈服承载力

屈服承载力(附录一表中可以查)用于结构的弹塑性分析,为支撑首次进入屈服的轴向力,是按下式计算得到的:

Nby=η y fy Al                (3-2)

式中: Nby——芯板的受拉或受压屈服承载力,根据芯材约束屈服段的截面面积来计算;

             Al ——约束屈服段的钢材截面面积;

              fy ——芯板钢材的屈服强度标准值;

             ηy ——芯板钢材的超强系数,Q160Q2251.1Q2351.25Q3451.1Q390Q4201.05。当有实测数据时应以实测为准,且实测值不应大于上述数值的15%

3.3 支撑极限承载力

   屈曲约束支撑的芯材在地震作用下拉压屈服会产生应变强化效应,考虑应变强化后,支撑的最大承载力为极限承载力,可按下式计算:

Nbu =ωNby                3-3

式中:ω—应变强化调整系数,Q235钢材可取1.5Q225钢材可取1.5Q160钢材可取2.0

4、支撑设计要求

4.1 风载与小震下承载力要求

   耗能型屈曲约束支撑和承载型屈曲约束支撑在风载或小震与其它静力荷载组合下最大拉压轴力设计值N应满足下式要求:

NNb                 3-4

式中:N 屈曲约束支撑轴力设计值;

     Nb --屈曲约束支撑的轴向承载力设计值。

为保证屈曲约束支撑在地震作用下不发生整体失稳,其套筒抗弯刚度应满足下式要求:

式中:I —屈曲约束支撑套筒的弱轴惯性矩;

     E —套筒钢材弹性模量

     l 支撑长度;

    ω 应变强化调整系数,取值同式3-3

   Nby 屈曲约束支撑屈服承载力,由式3-2确定;

     Nbu—屈曲约束支撑极限承载力,由式3-3确定。

屈曲约束支撑构件与钢框架、钢筋混凝土框架的连接宜采用高强度螺栓连接,见图14;可以采用对接焊接连接,见图15,可以采用U型口对接焊接型连接,见图16,亦可以采用销轴连接,见图17,施工验收应满足国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》的相关规定。

14 高强螺栓连接

15  对接焊连接

  16 “U”型焊接连接

 17 销轴连接

6、国内常用设计软件应用

目前,国内常用的设计软件,如PKPM、MTS、ETABS、MIDAS、SAP2000、ANSYS、ABAQUS等设计软件与有限元软件,都可以对设有屈曲约束支撑的建筑结构进行设计或校核,在我公司用户手册中都有详细介绍,有需要者请与我公司联系。

  

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