屈曲約束支撐在工程中的應用研究[詳細]

1、屈曲約束支撐 在工程中的應用研究,屈曲支撐及其特點； 本課題研究的目的和意義； 本課題研究需要解決的問題 屈曲支撐設計要點； 屈曲支撐工程應用實例； 本課題研究成果；,以下幾個方面分別介紹：,一. 屈曲支撐及其特點,圖1 屈曲約束支撐構(gòu)件組成示意圖,1.屈曲約束支撐簡介 屈曲約束支撐（bukling-restrained brace）簡稱屈曲支撐（BRB），是一種在受拉和受壓均能達到屈服而不發(fā)生屈曲失穩(wěn)的軸向受力構(gòu)件，一般地，BRB由三部分組成，即核心單元（芯材）、約束單位以及藥材和約束單元之間的無粘結(jié)材料組成，如圖1所示。,一. 屈曲支撐及其特點（續(xù)）,核心單元構(gòu)件是主要受力構(gòu)件，由低強度鋼

2、板組成，常見的形狀為十字形和一字形，約束單元提供側(cè)向約束，防止芯材受壓時發(fā)生屈曲失穩(wěn)，目前常用的為鋼管砼，無粘結(jié)材料倉裹在核心單元的表面，用于消除核心單元與約束單元之間的摩擦力。 屈曲支撐于本世紀初在美國、日本等國得到了廣泛的研究與應用，近年來，在我國已得到廣泛關(guān)注，并部分用于實際工程中，如上海東方體育中心、上海世博中心、北京銀泰中心、以及中小學抗震加固改造等等。如下所示：,1.,上海東方體育中心,鋼框架支撐,上海世博中心,一. 屈曲支撐及其特點（續(xù)）,2 屈曲支撐的特點（與普通支撐的對比）： 普通支撐常用的形式：圖3、圖4,圖3 中心支撐,圖4 偏心支撐,一. 屈曲支撐及其特點（續(xù)）,屈曲支

3、撐常用的形式如圖5所示：,圖5 屈曲支撐,一.屈曲支撐及其特點（續(xù)）,a.普通中心支撐： 特點：支撐受壓屈曲，剛度迅速下降，承載力低，耗能受力差。 b.普通偏心支撐： 特點：有耗能梁段，耗能性能好，但支撐強度不能充分發(fā)揮，震后修復困難。 c.屈曲約束支撐： 特點：支撐不會屈曲，只會屈服，通過支撐屈服耗能保護梁、柱構(gòu)件不破壞，減小了大震下的變形，且因只發(fā)生支撐屈服，震后易于更換。支撐剛度的強度完全發(fā)揮，一般來說，相同剛度下，承載能力比普通支撐提高310倍。,一.屈曲支撐及其特點（續(xù)）,“小震經(jīng)濟”、“中震不壞”、“大震易修”是屈曲約束支撐的特點，顯然完全達到了現(xiàn)行國家標準規(guī)定的抗震設防三水位“小

4、震不壞、大震不倒、中震可修”，而且在此基礎上更上一層樓。,1.,二本課題研究的目的和意義,1屈曲支撐具有良好的承載力，更具有非常好的變形耗能能力，減震作用十分明顯，新編國家抗震規(guī)范GB50011-2010正式規(guī)定消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高時，主體結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造可以適當降低，最大可降低1度，這對于現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的加固改造具有十分重要的意義。,1.,二本課題研究的目的和意義（續(xù)）,2近年來，本院設計的工程日趨復雜，性能化設計將成不可避免，通過學習中震、大震下屈曲支撐的彈塑性設計方法，對今后的復雜工程設計具有很強的指導意義。,1.,三本課題研究需要解決的問題：,1：了解屈曲支撐的性能、構(gòu)造特點及國

5、內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀。 2：掌握屈曲支撐兩階段計算分析方法，重點突破彈塑性階段的計算分析方法。 3：選擇合適工程應用。 。,1.,四屈曲支撐設計要點：,屈曲支撐根據(jù)工程應用模式的不同，可分為耗能型屈曲支撐，屈曲約束支撐型阻尼器和承載型屈曲支撐三類。,四屈曲支撐設計要點： （續(xù)）,1承載型屈曲支撐設計： 小震作用： N0.9fayA1 N 屈曲支撐軸力設計值 fay 芯材的屈服強度標準值 A1 芯材的截面面積 中震作用：滿足“中震不屈服”的要求。 計算軟件：采用satwe計算構(gòu)件內(nèi)力，在通過查屈曲支撐手冊選取屈曲支撐的截面。,四屈曲支撐設計要點： （續(xù)）,2耗能型屈曲支撐設計： 小震作用下，計算方法

6、與承載型屈曲支撐相同。 中震和大震下的驗算應采用彈性性分析，此時，屈曲支撐采用雙線性恢復力模型。圖6 計算軟件：靜力彈塑性采用ETABS，動力彈塑性采用SAP2000，Perform-3D等軟件。,圖6,四屈曲支撐設計要點： （續(xù)）,3屈曲支撐型阻尼器： 屈曲支撐型阻尼器是一種位移相關(guān)型消能器，其設計方法同位移型阻尼器；小震時，鋼材即進入屈服耗能，并產(chǎn)生附加阻尼，附加阻尼按下述公式確定： Qa=Wcj/(4Ws) Qa 屈曲支撐附加有效阻尼 Wcj 第j個屈曲支撐在結(jié)構(gòu)預期層間位移計uj下往復循環(huán)一周所消耗的能量。 Ws 設置屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)在預期位移下的總應變能， 中震和大震下的驗算采用彈

7、塑性分析法。 計算軟件，與耗能型屈曲支撐相同。,四屈曲支撐設計要點： （續(xù)）,4屈曲支撐的節(jié)點設計： 根據(jù)強節(jié)點弱構(gòu)件的設計原則： 對耗能型或屈曲支撐阻尼器： Fc1.2WNysc 對承載型屈曲支撐： Fc1.2Nysc Fc 承受屈曲約束支撐軸力的鏈接作用力設計值。 W 應變強化調(diào)整系數(shù)，根據(jù)芯材的型號取1.52.0。 Nysc 屈曲約束支撐屈服承載力。,五.屈曲支撐工程應用實例及普通支撐的比較,項目概況,該項目為鄂爾多斯正東廣場-總部基地B區(qū)，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市。是建筑面積約85萬平米的超大規(guī)模綜合建筑群。設計使用年限50年；抗震設防為7度。其中的連體建筑為ZAB2#樓和ZB3#樓，地上

8、26層，95m高;裙房2層；總建筑面積為70627.52m 。主體結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。,項目概況,該項目為鄂爾多斯正東廣場-總部基地B區(qū)，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市。是建筑面積約85萬平米的超大規(guī)模綜合建筑群。設計使用年限50年；抗震設防為7度。其中的連體建筑為ZAB2#樓和ZB3#樓，地上26層，95m高;裙房2層；總建筑面積為70627.52m 。主體結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)平面布置,隔層平面布置,結(jié)構(gòu)立面布置,屈曲約束支撐位置,建筑效果圖,結(jié)構(gòu)模型,關(guān)鍵受力構(gòu)件,地震記錄,El-centro波,反應譜曲線,滯回模型,普通支撐滯回模型,屈曲支撐滯回模型,截面纖維布置,計算條件,所有拱桁架的

9、柱底采用鉸接，屈曲約束支撐框架柱底采用剛接。 結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05。屈曲約束支撐附加給結(jié)構(gòu)的阻尼通過屈曲約束支撐的非線性滯回關(guān)系考慮。 結(jié)構(gòu)動力分析采用HHT方法，非線性迭代采用Newton-Raphson方法。 分析中采用單向加載。,結(jié)果,節(jié)點位置圖,表1 普通支撐方案計算模型X向頂部角點位移及位移比,表2 屈曲約束支撐方案計算模型X向頂部角點位移及位移比,X向地震作用下兩種方案位移比值,普通支撐,普通支撐大震下滯回曲線,纖維鉸9321,纖維鉸 9335,屈曲約束支撐大震下滯回曲線,纖維鉸 6194,纖維鉸 6200,支撐屈服個數(shù)對比,抗連續(xù)性倒塌分析,美國規(guī)范 GSA 中國鋼筋混凝土設計

10、規(guī)范 （GB50010-2002） 鋼結(jié)設計規(guī)范 （GB50017-2003）,設計原則,2(DL + 0.25LL),荷載組合,普通支撐方案支撐失效后分析,去除構(gòu)件分析中間桁架的DCR值,普通支撐方案與屈曲約束支撐方案的對比,屈曲支撐用鋼量：63噸，普通支撐用鋼量135噸，用鋼量不到普通支撐的一半 支撐進入塑性后承載力不會降低 同時憑借其良好的變形性能消耗地震能量，在大震下不會失效 屈曲約束支撐方案可以確保連廊在大震下不因個別支撐的失效而引起局部的連續(xù)性倒塌,從結(jié)構(gòu)位移時程反應可以看出，屈曲約束支撐能起到減震器的效果，結(jié)構(gòu)位移減小了33.3%。 從構(gòu)件的滯回面積及進入塑性構(gòu)件的數(shù)量可以看出， X向220gal地震作用下，普通支撐方案中支撐產(chǎn)生塑性變形的支撐數(shù)量為2根，而屈曲約束支撐方案中支撐屈服的數(shù)量為52根，屈曲約束支撐方案將消耗更多的地震力能量。 從結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌行性能及安全性來比較，在大震下由于屈曲約