j型屈曲约束支撑减震性能研究

j型屈曲约束支撑减震性能研究

0屈曲约束支撑传统支撑压能力小于支撑压能力，支撑压能力的弯曲对结构的刚性、负荷和抗疲劳性能有不利影响。有学者提出一种受压时不发生屈曲的轴力构件,称为屈曲约束支撑(BucklingRestrainedBrace,简称BRB)。这种支撑拉压承载能力相当、延性与滞回性能好,既可以为结构提供很大刚度和承载力,又可以通过钢材屈服耗散地震能量以保护主体结构,是一种优良的结构抗震构件。屈曲约束支撑与传统支撑滞回性能对比见图1。屈曲约束支撑一般由三部分构成:1)承受轴力的核心耗能部分;2)有侧向约束作用的套筒;3)减小摩擦力的无黏结脱层材料。其构成原理见图2。屈曲约束支撑在美国、日本与我国台湾等地震多发区应用广泛。截至2007年,以上地区共有超过500栋的建筑使用了屈曲约束支撑。国内也有数栋建筑采用了屈曲约束支撑,但大部分为新建工程。屈曲约束支撑不仅可以用于新建结构,而且还可以应用于已有结构的抗震加固和改造中。1995年日本神户地震以后,多个建筑的抗震加固选用的就是屈曲约束支撑。1999年台湾集集地震以后,对建设即将完成的台北县政府行政大楼重新进行了抗震验算,发现抗震能力存在不足,因此选择加装屈曲约束支撑来增强结构的抗侧刚度和耗能能力,以提高结构的抗震等级。TJ型屈曲约束支撑具有完全自主知识产权,经过多年的发展,已经形成了一整套完整成熟的设计、生产、施工、加固技术。在国内,已经有部分加固工程采用TJ型屈曲约束支撑这一技术。屈曲约束支撑在加固工程中应用具有其特殊优势:1)能够增大结构的整体抗侧刚度和抗扭刚度,使得加固工程更容易满足地震作用下的各项指标的要求;2)通过设置屈曲约束支撑,能够较多地吸收地震能量,从而使主体结构构件的加固工作量大为减少;3)由于TJ型屈曲约束支撑为定型产品,可在工厂加工,且安装简单,基本无湿作业;因此,在加固工程中采用屈曲约束支撑能够大大缩短加固工期,减小加固施工总成本。1分析与设计1.1屈曲约束支撑TJ型屈曲约束支撑在加固工程中的分析与设计方法与新建工程中类似。由于目前大多数结构分析软件不具有屈曲约束支撑构件的定义和设计功能,因此,常用的做法是采用“等代法”,即采用某一截面面积为Ae的钢支撑来等代屈曲约束支撑对结构刚度的贡献,参与结构整体建模与分析。由于屈曲约束支撑在设计时已经考虑了构件本身的稳定问题,因此,在各分析软件中对等效钢支撑的稳定验算可以忽略,而仅需进行承载力验算。只要该等代支撑在风载或小震作用下与其它静力荷载的基本组合的轴力(受拉或者受压)最大设计值小于屈曲约束支撑产品的设计承载力Nb,即可认为该支撑设计满足要求。即满足下式的要求:式中:N为等代支撑在风载或小震作用下与其他静力荷载的基本组合的轴力(受拉或者受压)最大设计值;Nb为选用的屈曲约束支撑产品的设计承载力。采用屈曲约束支撑构件后,除了支撑应满足式(1)的要求外,结构分析的各项控制指标还应满足相关规范的要求。上海市恒丰中学教学楼建于10多年前,为混凝土框架结构体系,如图3,4所示。由于学校规模的发展,现有的教室数量已不能满足需求,因而需要在现有的5层基础上再增加1层。汶川地震后,要求学校教学楼建筑应提高安全等级。根据该要求,恒丰中学教学楼抗震设防烈度由7度(0.10g)提高至7度(0.15g),框架抗震等级提高至二级。按照前述设计方法,将屈曲约束支撑构件按照“等代法”参与结构整体分析。在结构各项指标满足规范要求的前提下,支撑构件还需满足式(1)的要求。最终确定采用25根TJ型屈曲约束支撑,支撑屈服承载力分为1350和2000kN两种类型。屈曲约束支撑的平面布置如图5所示。山东郯城工程原结构为钢筋混凝土框架结构体系(图6),由于框架结构抗侧刚度有限,原方案采用剪力墙进行结构抗震加固。由于剪力墙刚度较大,导致在高烈度区使用时地震作用较大,同时剪力墙开裂后使得结构整体刚度下降很多,大震作用下弹塑性层间位移角很难满足规范要求。因此,引入了TJ型屈曲约束支撑作为结构在设防烈度地震和大震作用时的耗能构件,来吸收地震作用,减轻结构主体构件所受的地震作用。TJ屈曲约束支撑工厂安装照片如图7所示。1.2节点与钢构件连接分析在加固工程中,采用屈曲约束支撑后节点设计的内容包括:1)支撑连接节点设计;2)支撑连接节点与原结构的连接设计。为保证屈曲约束支撑在大震作用下进入屈服并发挥耗能能力,其连接节点承载力应不小于1.2倍支撑的极限承载力Nbu。对应于螺栓连接,为保证与屈曲约束支撑相连节点在罕遇地震作用下不发生滑移,其连接高强度摩擦型螺栓的数量n可由下式确定:式中:Nbu为屈曲约束支撑的极限承载力;nf为传力摩擦面数目;μ为摩擦面的抗滑移系数(表1);P为每个高强螺栓的预拉力(表2)。对于极限承载力较大的屈曲约束支撑,如节点采用螺栓连接,所需的螺栓数量比较多,使得节点连接段较长,此时节点也可采用焊接连接。焊接可采用角焊缝或对接焊缝,焊接连接的承载力Nf应满足下式:当节点与支撑采用对接焊缝连接时,节点钢材强度设计值应不低于屈曲约束与节点相连端钢材的强度设计值。连接节点与原结构的连接设计同一般加固工程,可采用钢板或U形钢板套、四面钢板围套等方法与原混凝土结构相连,也可通过增设连接型钢的方法来处理。钢构件可以采用锚栓与原结构相连。典型的连接节点见图8。钢板或U形钢板套与原结构的锚栓连接受力较为简单,一般为屈曲约束支撑传给锚栓的拉力(或压力)与剪力。承受拉力时:承受剪力时:式中:Nt,Nc为BRB传给连接锚栓的拉力、压力设计值;Ntb,Ncb为连接锚栓的拉、压承载力设计值;Viv为锚栓所受剪力设计值;Vib为个锚栓的受剪承载力设计值。当原结构为钢结构时,可在原钢结构表面进行处理后将连接节点与之进行焊接。1.3强度和混凝土构件配筋验算和基础验算对于加固工程而言,采用屈曲约束支撑后,涉及到的验算还包括:(1)原构件强度和混凝土构件配筋验算。由于屈曲约束支撑的设置会对原结构施加附加力,此时,应考虑这种附加力对于原结构的不利影响,验算原构件的强度和配筋是否满足要求。(2)基础验算。设置屈曲约束支撑后,应验算原基础是否满足要求。2屈曲约束支撑的施工过程屈曲约束支撑具有安装方便、施工周期短、基本无湿作业等方面的优点,其施工和安装较为简单,与普通钢支撑类似。在加固工程中,其施工应注意:(1)与原结构相关的尺寸必须准确无误,这也是加固工程的共同特点。屈曲约束支撑的长度、位置以及节点的尺寸等需经现场多次测量并复核后方可开始屈曲约束支撑的加工生产和连接节点的制作。(2)对于混凝土结构加固工程而言,支撑连接节点与主体结构多采用包钢的方法,而钢板多采用化学锚栓与主体结构的梁或柱相连。在施工中应确保连接节点施工完毕,化学锚栓经测试达到设计强度之后,方可开始屈曲约束支撑的安装。(3)由于加固项目的特点,需密切关注设计的变更。例如BRB的设置位置可能受到建筑专业的影响。(4)支撑安装时的现场焊缝和连接部位的施工等需满足设计图纸、规范和相关国家标准的要求。3曲约束支撑的安装目前,尚缺乏屈曲约束支撑项目施工验收的国家标准。但对于采用屈曲约束支撑的加固工程而言,其工程验收主要涉及如下几个方面:(1)锚栓承载力应达到设计要求。对于混凝土加固工程中应用的与屈曲约束支撑连接的锚栓,应按照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)和相关检测规程的要求,对锚栓的承载力进行测试。仅当所有锚栓经过测试且承载力达到设计要求后方可开始屈曲约束支撑的安装。(2)支撑安装前,应检查与主体结构的连接是否有平面外的偏心、翘曲等外观上的缺陷;若有,则应采取相应的措施予以纠偏与校正;待校正完毕方可安装屈曲约束支撑。(3)屈曲约束支撑安装完毕,应对支撑与主体结构连接节点的焊缝或/和高强度螺栓以及防腐、防火保护涂料进行检测。测试方法可参照《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)中相关规定执行。4屈曲约束支撑论述了屈曲约束支撑在结构加固工程中应用的几点关键技术,结构工程实例,可以得出:(1)屈曲约束支撑在加固工程中应用不仅能增大加固后结构的抗侧刚度和抗扭刚度,同时由于其能够耗散地震能量,因此可以减少主体结构的加固工作量。(2)屈曲约束支撑在加固工程中的设计简