屈曲約束支撐體系的應用與研究

1、摘要：屈曲約束支撐是一種新型的耗能支撐，克服了傳統(tǒng)支撐體系受壓屈曲的缺點，其滯回曲線十分飽滿，具有較好的抗震能力，可以改善支撐框架結(jié)構(gòu)的承載能力，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下通過屈曲約束支撐滯回耗能，降低了主體結(jié)構(gòu)的破壞程度，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震能力，是一種較有應用前景的結(jié)構(gòu)體系。目前，國內(nèi)外許多學者對這種屈曲約束支撐都有非常濃厚的興趣。關鍵詞：屈曲約束支撐；支撐框架；屈曲約束支撐框架；屈曲；抗震設計；鋼框架The Practice and Research of BucklingRestrained Braced FramesAbstract：The Buckling-RestrainedBrac

2、e is a newtypeofenergy dissipationbraceIt hasovercomethedisadvantagesoftheconventionalbracebecauseofitsbucklinginhabitationItshysteresiscurveisquiteplumpness，moreover,ithasbetterabilityforseismicresistanceThebearing capacityof structuresmaybeimproved throughtheenergy dissipationofbucklingrestrainedb

3、raceundersevereearthquakes；Thedestructionofmainstructurewillbereducted，andtheabilityforseismicresistanceofstructurewillimprove. Therefore，thebracehasbetterapplicationprospectNowadays，thebuckling-restrainedbracehasattractedmanyinterestsforlotsofscholarsathomeandabroadKeywords：buckling-restrained brac

4、es；braced frame；buckling-restrained braced frame；buckling；seismic design；steel frames1. 研究的背景及意義隨著科學技術和經(jīng)濟條件的發(fā)展，多高層建筑在我國已經(jīng)得到了大量的興建。由丁鋼材具有一系列優(yōu)良的特性，鋼結(jié)構(gòu)己成為多高層建筑結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式之一。高層鋼結(jié)構(gòu)與單層多層結(jié)構(gòu)的突出不同點在于：側(cè)向荷載起控制作用，重力荷載退居為第二位?？箓?cè)力體系成為結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在一定程度上影響著結(jié)構(gòu)的用鋼量。圖1表示平面為5跨的結(jié)構(gòu)在各種不同層數(shù)時的用鋼量。由圖中可見，樓面結(jié)構(gòu)的用鋼量幾乎與層數(shù)無關；柱、墻等豎向構(gòu)件用鋼

5、量隨層數(shù)緩慢增長；抵抗側(cè)力的用鋼量不僅在總用鋼量中占很大比重，而且隨層數(shù)急劇增長。圖中還顯示出，優(yōu)化的抗側(cè)力體系比一般抗側(cè)力體系可節(jié)約鋼材40。支撐是鋼結(jié)構(gòu)框架體系的重要抗側(cè)力構(gòu)件，傳統(tǒng)的帶支撐框架有中心支撐框架和偏心支撐框架，由于傳統(tǒng)支撐在地震作用下極易發(fā)生受壓屈曲失穩(wěn)，使結(jié)構(gòu)的抗震能力下降，為了解決這一問題，一些學者經(jīng)研究提出種新的能避免屈曲的支撐構(gòu)件，稱為屈曲約束支撐。這是一種在受拉和受壓情況下都能達到屈服的消能支撐構(gòu)件，改善了傳統(tǒng)支撐在受壓時發(fā)生屈曲的缺點，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。使用此屈曲約束支撐的框架體系，不僅具有良好的抗側(cè)性能，而且提高了結(jié)構(gòu)的韌性和抗震性能。此外由于鋼材屈服可以吸

6、收大量的能量，因此屈曲約束支撐在進入塑性狀態(tài)后可以消耗大量的能量，將結(jié)構(gòu)的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能消散掉，從而起到降低結(jié)構(gòu)動力反應的目的。圖1 高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗重力和側(cè)向荷載的用鋼量2. 屈曲約束支撐簡介1.1. 屈曲約束支撐基本原理屈曲約束支撐又稱無粘結(jié)支撐，是一種新型鋼結(jié)構(gòu)支撐，也是一種耗能支撐。屈曲約束支撐的中心是芯材，是用低屈服點鋼材制成的，在軸向力作用下允許有較大的塑性變形，通過這種變形可以達到耗能的目的。為避免芯材受壓時整體屈曲，即在受拉和受壓時都能達到屈服，芯材被置于一個鋼套管內(nèi)，然后在套管內(nèi)灌注混凝土或砂漿。構(gòu)件的組成示意圖如圖2所示。為減小或消除芯材受軸力時傳給砂漿或混凝土的力，而

7、且由于泊松效應，芯材在受壓情況下會膨脹，因此在芯材和砂漿之間設有一層無粘結(jié)材料或非常狹小的空氣層。這樣一來，此支撐在受壓時亦能達到完全屈服，使支撐受壓承載力與受拉承載力相當，克服了傳統(tǒng)支撐受壓屈曲的缺點，改善了支撐的承載能力，使支撐的滯回曲線飽滿(如圖3所示)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。在約束支撐的設計時，不必考慮失穩(wěn)，只計算其強度，認為支撐受拉和受壓性能完全相同，在受壓時不會發(fā)生屈曲。圖2 屈曲約束支撐構(gòu)件組成示意圖圖3 陳正誠純鋼屈曲約束支撐試驗數(shù)據(jù)1.2. 基本截面形式目前可以使用的屈曲約束支撐截面形式是多種多樣的，其基本截面形式如圖4所示。其中芯材有平板形(如圖4a,d,g,J)、十字形(

8、如圖4c,h,1)、工字形(如圖4b,e,i)、圓管形(如圖4f)和方管形(如圖4k)等。其中e-k中的芯材僅由型鋼包圍，在芯材與套管之間沒有填充混凝土或砂漿。圖4 基本截面形式1.3. 屈曲約束支撐（BRB）的基本構(gòu)成屈曲約束支撐主要由以下5個部分構(gòu)成(圖5)：約束屈服段；約束非屈服段；無約束非屈服段；無粘結(jié)可膨脹材料；屈曲約束機構(gòu)。圖5 屈曲約束支撐的基本構(gòu)成1.1.1 約束屈服段(Restrained Yielding Segment)該部分的截面可為多種形式，由于要求支撐在反復荷載下屈服，因此需使用延性較好的中等屈服強度鋼，有時也可用高強度低合金鋼。同時要求鋼材的屈服強度值穩(wěn)定，這對B

9、RB的能力設計的可靠性非常重要。1.1.2 約束非屈服段(Restrained Nonyielding Segment)該部分也包在套管和砂漿內(nèi)，通常是約束屈服段的延伸部分。為確保其在彈性階段工作，因此需要增加構(gòu)件截面積?？梢酝ㄟ^增加約束屈服段的截面寬度實現(xiàn)(截面的轉(zhuǎn)換需要平緩過渡以避免應力集中)，也可通過焊接加勁肋來增加截面積。1.1.3 無約束非屈服段(Unrestrained Nonyielding Segment)該部分通常是約束非屈服段的延伸部分，它穿出套管和砂漿，與框架連接。為便于現(xiàn)場安裝，通常為螺栓連接，也可采用焊接連接。這部分的設計需考慮：1)安裝公差以便安裝和拆卸；2)防止局

10、部屈曲。1.1.4 無粘結(jié)可膨脹材料(Unbonding Agent andExpansion Material)橡膠、聚乙烯、硅膠、乳膠這些材料可以有效減少或消除芯材受約束段與砂漿之間的剪力。由于約束機構(gòu)的作用，約束屈服段可能會在高階模態(tài)發(fā)生微幅屈曲，此外，還需要足夠的空間容許芯材在受壓時膨脹，否則由于芯材與約束機構(gòu)接觸而引起的摩擦力會迫使約束機構(gòu)承受軸向力，因而，填充材料和芯材問需要留一定的問隙。但另一方面，如果間隙太大，約束屈服段的屈曲變形和相關曲率會非常大，這會減小屈服段的低周疲勞壽命確定間隙寬度時，需要考慮泊松比(彈性階段和屈服階段0.5)，問隙寬度是最大設計應變的函數(shù)。如果約束屈服

11、段和約束非屈服段的截面寬度有變化，還需要在加寬的非屈服段前設內(nèi)部預留空間(圖6)，以避免鋼構(gòu)件和砂漿直接接觸。這種接觸會增加支撐的抗壓承載力，使之超過預計的設計強度。圖6中還標出了為避免節(jié)點板與約束機構(gòu)接觸而設的外部預留空問。圖6 約束屈曲部分與砂漿之間的間隙1.4. 屈曲約束支撐套管的基本原理芯材不和套管接觸，荷載施加在芯材上。在荷載作用下，芯材產(chǎn)生彎曲并擠壓套管的內(nèi)表面，使套管產(chǎn)生彎曲應力。如果套管內(nèi)的彎曲應力低于其材料的屈服強度，可以使芯材達到非常高的應力水平，遠遠超過芯材材料的屈服強度。圖7為其的基本原理。如果鋼套管沒有足夠的剛度和強度，在受到擠壓時會發(fā)生局部鼓屈(如圖8所示)。圖7

12、屈曲約束支撐套管的基本原理圖8 鋼套管的鼓曲為避免鋼套管的整體屈曲，Watanabe建議鋼套管應該按如下公式設計，使之具有足夠的彎曲剛度：式中，是約束屈服段的屈服強度;是鋼套管的彈性屈曲強度：式中，是楊氏模量；是鋼套管的抗彎模量；是支撐長度；在式(1.2)中，偏安全地忽略了砂漿對鋼套管彎曲剛度的貢獻，也沒有考慮應變強化作用的影響。如果假設應變強化效應會增加支撐30的抗壓強度，并在分子中加入085的系數(shù)，則有：或者 (1.1)該公式與Watanabe提出的完全一致。Watanabe對類似圖（4a）外套方鋼管和矩形鋼管的BRB的整體屈曲行為進行了研究，一共測試了5個試件，表1是的值。后兩個試件被設

13、計成。每個試件按層間位移2進行反復加載，試件4和5在受壓時整體屈曲，前三個試件在受拉和受壓狀態(tài)下均表現(xiàn)出穩(wěn)定和對稱的滯回性能。該研究證實設計需要滿足式(1.1)以避免整體屈曲。盡管試件3的值為103，但根據(jù)數(shù)值計算，如果構(gòu)件的幾何初始缺陷比較嚴重，仍然可能發(fā)生整體屈曲。Watanabe建議實際應用時不小于151.5. 屈曲約束支撐框架（BRBF）的優(yōu)缺點與抗彎剛框架和普通支撐框架相比，屈曲約束支撐框架有以下優(yōu)點：1)與抗彎剛框架相比，小震時BRBF線彈性剛度高,可以很容易地滿足規(guī)范的變形要求；2)由于可以受拉及受壓屈服，BRBF消除了傳統(tǒng)中心支撐框架的支撐屈曲問題，因此在強震時有更強和更穩(wěn)定的

14、能量耗散能力。圖6是BRB和傳統(tǒng)中心支撐的性能對比；圖9 BRB和傳統(tǒng)中心支撐的性能對比3)BRB通過螺栓或鉸連接到節(jié)點板，可避免現(xiàn)場焊接及檢測，安裝方便且經(jīng)濟；4)支撐構(gòu)件好比結(jié)構(gòu)體系中可更換的保險絲，既可保護其他構(gòu)件免遭破壞，并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐；5)因為支撐的剛度和強度很容易調(diào)整，BRBF設計靈活。而且，在非彈性分析中可以方便地模擬BRB的滯回曲線；6)在抗震加固中，BRBF比傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)更有優(yōu)越性，因為能力設計會使后者的地基費用更貴。BRBF的不利之處有：1)很多BRB技術都屬于私人擁有并且不對外公開。2)如果控制不好，芯材的屈服強度變化范圍會很寬。3)現(xiàn)場安裝公差一

15、般比傳統(tǒng)支撐框架小。4)強震時的永久變形會比較大，因為這種體系和其他一些體系一樣，屈服后不能自動回到初始位置。5)需要制定檢驗和更換受損支撐的準則。1.6. 普通支撐與屈曲約束支撐性能相比較屈曲約束支撐與普通支撐相比，其最大區(qū)別也是最大優(yōu)點是它解決了普通支撐的受壓屈曲問題，使受壓性能與受拉性能相同。蒙特利爾工學院曾經(jīng)做過相同截面面積的普通支撐和屈曲約束支撐框架的對比試驗，實測的支撐滯回曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，普通支撐受壓時由于失穩(wěn)而退出工作，滯回環(huán)不飽滿；而屈曲約束支撐在受壓時與受拉時性能基本相同，滯回環(huán)非常飽滿，抗震性能較好。圖10 普通支撐與屈曲約束支撐性能比較1.7. 普通

16、支撐框架與屈曲約束支撐框架性能比較屈曲約束支撐框架體系的承載能力和抗震性能均優(yōu)下普通支撐框架體系。當普通支撐框架和屈曲約糶支撐框架頂點位移為層高的1/50時，其結(jié)構(gòu)變形圖(放大)如圖11所示。從圖11可以看出普通支撐框架中的受壓支撐圖為屈曲失穩(wěn)而部分退出了工作，不僅降低了結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度。而且框架梁的荷載增加，在同樣荷載作用下，內(nèi)力和撓度均高于屈曲約束支撐框架。純框架、普通支撐框架和屈曲約束支撐框架三種體系在單向水平加載下的荷載一位移曲線如圖12所示，從圖12可知一純框架結(jié)構(gòu)的初始剛度明顯低于支撐框架：隨著荷載的增加，普通支撐框架中的受壓支撐困為屈曲失穩(wěn)而退出工作，結(jié)構(gòu)的剛度下降，極限承載力

17、明顯低于屈曲約束支撐框架體系。圖11 結(jié)構(gòu)在層間位移角1/50時的變形圖12 三種結(jié)構(gòu)體系受力性能示意圖1.8. 屈曲約束支撐應用的經(jīng)濟性根據(jù)資料統(tǒng)計，采用屈曲約束支撐能降低結(jié)構(gòu)總用鋼量的510。上海某一工程因采用屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)用鋼量降低了2000噸。臺灣大學蔡克銓教授對一個六層框架結(jié)構(gòu)進行了對比分析，使用屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)比其它結(jié)構(gòu)可以降低用鋼量噸，大約節(jié)約了162。3. 屈曲約束支撐框架設計方法與傳統(tǒng)支撐框架設計方法的比較普通支撐框架是支撐和柱框架共同抵抗地震作用，在大震情況下支撐和梁、柱都要受損傷。這樣一來，大震后建筑物再利用已不可能，修復費用很高。而屈曲約束支撐框架則不一樣，它在罕遇地

18、震作用下，屈曲約束支撐進入塑性進行耗能，其它主體結(jié)構(gòu)仍保持彈性狀態(tài)或進入塑性耗能，即使主體結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)，它的變形量也比普通支撐框架要小，可大大降低震后的維修費用。屈曲約束支撐框架設計方法與傳統(tǒng)支撐框架設計方法的比較可簡要說明如表2所示。表2 屈曲約束支撐框架設計方法與傳統(tǒng)支撐框架設計方法的比較4. 國內(nèi)外應用情況雖然國內(nèi)外建筑界對屈曲約束支撐框架設計缺乏系統(tǒng)的理論分析和相關規(guī)范的指導，但很多工程已經(jīng)開始使用了這種結(jié)構(gòu)。1995年神戶地震后，約束屈曲支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地震后，美國也開始接受這種體系。目前日本已有250棟建筑、美國有50棟已建和在建的建筑使用了這種體系。這種結(jié)構(gòu)體系還被使用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固中。5. 存在的問題1.9. 產(chǎn)品標準問題盡管屈曲約束支撐是種性