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兰州理工大学 硕士学位论文 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 姓名：张宪江 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：朱彦鹏;王秀丽 20080428 硕士学位论文 摘要 传统钢框架结构中的中心支撑在强震中，极有可能因为受压发生屈曲而退出 工作，支撑屈曲后不能有效地耗散能量，这使得结构的抗震能力下降。为了改善 支撑的屈曲性能，使得在地震作用时支撑不发生侧向屈曲，相对于传统中心支撑 框架提出了一种新的、可以避免支撑屈曲的体系，称为约束屈曲一支撑框架体系 ( b u c k l i n g r e s t r a i n e db r a c e df r a m e ，简称b r b f ) 。这种体系在美国和日本已经大量被 采用，而且表现出了良好的抗震性能。 本文首先从概念设计入手，确定支撑构件在结构中的合理布置形式与数量。 约束屈曲支撑作为一种耗能支撑，其布置方式必然有它的特殊要求。本文对约束 屈曲支撑在框架结构中不同布置方式的非线性动力时程响应结果进行了分析，得 出了约束屈曲支撑构件在框架结构中布置的几点结论。 其次，以能量理论和结构损伤性能为理论基础，利用有限元软件a n s y s 对约 束屈曲支撑一框架结构中的框架部分进行非线性时程分析，得出结构每层所产生 的损伤量，进而确定框架结构损伤量的沿层分布规律。 约束屈曲支撑的性能指标应与目标框架相适应才能充分发挥其耗能减震的作 用。本文以既定的框架结构为对象，研究了约束屈曲支撑构件的性能参数。在此 基础上，建立了约束屈曲支撑损伤量的计算模型，并推导了约束屈曲支撑损伤量 的数值计算方法。基于目标位移沿层相同的假设，推导了约束屈曲支撑构件内核 截面面积与损伤量的相关关系，进而确定结构各层布置的约束屈曲支撑截面面积 的沿层分布规律。 最后，利用a n s y s 对约束屈曲支撑一框架结构进行非线性动力时程分析。为 了达到理想的耗能减震效果，关键是确定约束屈曲支撑构件的刚度与框架部分的 刚度之比。基于约束届曲支撑的工作原理，本文推导了名义刚度比r s 的合理取值 范围。对于给定的名义刚度比，可以确定结构各层应布置的支撑构件的规格。将 所确定的支撑构件布置于结构中，从而形成约束屈曲支撑一框架结构体系的分析 模型。对此b r b f 模型进行非线性动力时程分析，可以得到b r b f 各层的位移、 速度和加速度时程曲线。对比地震作用下约束屈曲支撑一框架结构体系与其相对 应的纯框架的动力响应，讨论了约束屈曲支撑对结构的减震作用，并验证了所确 定的约束屈曲支撑构件的布置形式和数量的合理性。 关键词：概念设计；约束屈曲支撑一框架体系( b r b f ) ；能量理论；损伤量：时程 分析；名义刚度比；耗能减震。 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 a b s tr a c t t r a d i t i 9 n a lb r a c e si ns t e e l丘a m es t n l c t u r e s c a nn o t1 1 i l d e r g oas t f o n ge a r t h q u a k e b e c a u s eo ft h eh a p p e n i n go fb u c k l i n g ，w h i c hi so fd i s a d v a n t a g et oe n e r g yd i s s i p a t i o n o ft h es t n l c n l r ei ne a n h q u a k e ，锄dt h i sw i l la l s ow e a k e nt h ec a p a c i t yo ft h es t m c t u r e s s e i 跚1 i cr e s i s t 锄c e i no r d e rt oi m p r o v et h eb u c k l i n gp e r f o m a n c eo ft h eb r a c e s ，m a k e n ob u c k l i n go fb r a c ew i l lt a k ep la c ei ne a i r t h q u a k eo c c u r r e n c e ，a st o 仃a d i t i o n a lb r a c e d 丹a m ep u tf o r w a r dan e ws y s t 锄c 锄a v o i db r a c eb u c k l i n g ，c a l l e db u c k l i n gr e s t r a i n e d b r a c e d 仃a m e ( b r b f ) t h i ss y s t e mi sa1 a r g ea m o u n to fa d o p ta l r e a d yi nj a p a na n d u s a ，d e m o n s t r a t e sag o o da n t i s e i s m i cp e r f 0 珊a n c e f i r s t ，丹o mt h ec o n c e p t l l a ld e s i 印，t h eq u a n t i t ya n dr e a s o n a b l ea r r a n g e m e n tf b 肋o f b r a c e si ns t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e d b r bt a k e so n ek i n do fb r a c e st oc o n s u m ee n e r g y ， i t sa r r a n g e m e n tw a yh a si t s s p e c i a lr e q u e s ti n e v i t a b ly - i nt h i sp a p e r ，a n a l y s i st h e n o n l i n e a rd y n a m i ct i m ei n t e r v a lr e s p o n s er e s u l to fd i f f e r e n ta r r a n g e m e n tw a yo ft h e b r bi ns t e e lf r a m es t 兀l c t u r e ，h a so b t a i n e ds e v e r a lc o n c l u s i o n sw h i c ha r r a n g e di nt h e p o r t a lf r a m ec o n s t r u c t i o n n e x t ，t a k et h ee n e 唱yt h e o r ya n dt h es t n j c t u r ed a m a g ep e r f o m a i l c ea st h er a t i o n a l e ，t h e n o n l i n e a rd y n a m i ct i m ei n t e r v a la n a l y s i si sc a r r i e do nb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s ， o b t a i n s d a m a g eq u a n t i t y w h i c hs t n l c t u r ee a c h s t o d ，p r o d u c e s ， t h e n d e t e r m i n a t i o np o r t a l 仃锄ec o n s t r u c t i o nd 锄a g eq u a n t i t ya l o n ge a c hs t o r yd i s t r i b u t e d r u l e 1 h ep e 啪眦a n c eo fb r bs h o u l da d a p tw i t ht h eg o a l 丘鼬ec 蛆d i s p l a yi tt oc o n s 眦e e n e r g y 如l l yt h ea b s o r p t i o o fs h o c k 如n c t i o n t h i sp a p e rd e c i d e st h ep o r t a lf - r a m e c o n s t m c t i o ni s 蛆o b j e c t ，h a ss t l l d i e dt h eb r b sp e r f o 咖姐c ep a r a m e t e r b a s e do nt h i s ， h a se s t a b l i s h e dt h ec o m p u t a t i o nm o d e lo ft l l eb r b sd 锄a g eq u a n t i t y 锄dh a si n f e m d t h en u m e r i c a lc a l c u l u sm e t h o do ft h eb r b sd 剐：n a g eq u a n t i t y b a s e do ns u p p o s i t i o n w h i c hm eg o a ld i s p l a c e m e n ta l o n ge a c hs t o r yi st h es 锄e ，h a si n f e r r e d 也eb r b sc r o s s s e c t i o n a la r e aa i l dt h eb r bd a m a g eq u a n t i t yc o r r e l a t i o n a ld e p e n d e n c e ，t h e nm a y d e t e m i n ed i s t r i b u t e dn l l eo f e a c hb r b sc r o s ss e c t i o n a l 盯e aa l o n ge a c hs t o 珥 f i n a l l y ，t h en o n l i n e 盯d y n 锄i ct i m ei n t e r v a la n a l y s i so fb r b fi sc 龇r i e do u tb yu s i n g a n s y s i no r d e rt oa c h i e v ei d e a l l ye 疏c to fc o n s u m e s 吼e r g ) ra n da b s o 印t i o no fs h o c k ， t h ek e yi sd e t e m i n e st h er a t i oo fb r b sr i g i d i t ya n dt h er i g i d i t yo ft h e 丘锄ep a r t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb r b w o r k i n gi n 矗a m e ，t h i sp a p e rh a si n f b r r e dt h er e a s o n a b l e i i 硕士学位论文 v a l u e s c o p eo ft h en o m i n a lr i g i d i t yr s r e g a r d i n gn o m i n a lr i g i d i t yr a t i ow h i c ha s s i g n s ， m a yd e t e n n i n es 劬c t u r ee a c hs t o r ys h o u l da r r a n g eb r b ss p e c i f i c a t i o n w i l ld e t e 册i n e b r ba r r a n g e m e n ti ns t m c t u r e ，t h u sf o m st h eb r b fc o n s t n l c t i o ns y s t e m sa n a t o m i c m o d e l r e g a r d i n gt h i sb r b fc a 仃i e so nt h en o n l i n e 盯d y n a m i ct i m ei n t e a la n a l y s i s ， m a ya c h i e v ee a c hs t o d r sd i s p l a c e m e n t ，s p e e da 1 1 da c c e l e r a t i o nt i m ei n t e n ，a lc u n ，eo f b r b fs t r u c t u r es y s t e m u n d e rt h ec o n t r a s te a r t h q u a k ef u n c t i o no ft h eb r b fs t n l c t u r e w i t hs t r e s sp e r f o 彻a n c eo ft h ep u r ef 锄ep a r r tw h i c hi t sc o r r e s p o n d s ，d i s c u s s e dt h e b u f f 白a c t i o nw h i c hb r bt ot h es t m c t i l r e ，a n dh 嬲c o n f i n n e dt h eb r b sq u a n t i t y 锄d t h ea r r a n g e m e n tf o 衄r a t i o n a l i t yd e t e 加1 i n e d k e yw o r d s ： c o n c e p t u a id e s i g ；r e s t r a i n tn e x u r es u p p o r t - f r a m es y s t e m ( b r b f ) ； e n e r g yt h e o r y ；d a m a g eq u a t i t y ；t i m ei n t e r v a ia n a l y s i s ；n o m i n a ir i g i d i t yr a t i o ； c o n s u m e se n e r g ya n da b s o r p t i o o fs h o c k i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：辨 眺游川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 导师签名 日期：口妒年参月易日 日期：呓7 犀月否日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 传统的框架结构抗震设计主要致力于保证结构自身有一定的强度、刚度和延 性，以满足一定的抗震要求。这种设计，结构处于被动抵御的地位，因此是一种 消极的抗震设计。我们希望结构兼有中心支撑框架结构刚度与强度好和纯框架耗 能大的优点。采用约束屈曲支撑一框架结构我们不但可以获得中心支撑框架刚度 与强度好的优势，还能获得纯框架耗能大的优点。 在过去的几十年中，特别是近1 0 年来，由于约束屈曲支撑良好的抗震性能， 工程界把它们作为支撑或阻尼器使用在多高层建筑结构中。这种支撑在日本、美 国、加拿大、我国台湾等地得到了越来越广泛的应用。目前，我国对于约束屈曲 支撑及其结构体系的研究尚处于起步阶段，工程应用鲜见报道。但就总体而言， 绝大多数文献集中于对约束屈曲支撑构件( b u c k l i n g r e s t r a i n e db r a c e s ，简写b r b ) 本身的研究，而对约束屈曲支撑一框架结构体系( b u c k l i n g r e s t r a i n e db r a c e d f r a m e ，简称b r b f ) 的研究资料尚不多见。 可以预见，在新建的多高层钢结构中，约束屈曲支撑一框架结构体系具有良 好的应用前景。但大多b r b f 核心技术都属于私人拥有并且不对外公开，使用这 种产品需要支付很高的费用。因此，深入地开展对约束屈曲支撑构件及其结构体 系的研究，为工程应用提供借鉴作用，进而推广这种结构体系在我国工程中的应 用将是十分有意义的工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 框架结构的传统支撑 框架结构是最早用于高层建筑的类型，其主要优点是平面布置灵活，刚度分 布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感。但由于框架结构侧向刚 度小，故侧移较大【l 】。钢结构房屋在强震作用下承载力一般是足够的。根据震害调 查，一些多高层钢结构房屋，即使在设计时并未考虑抗震，在强震下其承载力仍 然足够【2 】，但其侧向刚度一般不足，以致门窗及填充墙受到破坏。文献 3 】指出， 侧移是多高层建筑的要害问题，其重要性重于强度。因此，在多高层建筑的结构 设计中，侧移是控制指标。提高结构侧向刚度比较经济的办法是在框架的一部分 开间中设置支撑。支撑与梁柱组成一竖向的支撑桁架体系，它们通过楼板体系与 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 框架共同抵抗水平力，从而减少结构的侧向位移。这种体系称为支撑一框架结构 体系。在支撑一框架结构体系中( 图1 1 ) ，框架系统部分是剪切型结构，底部层间 位移大；支撑系统部分与框架系统部分并联，可以明显减少建筑物下部的层间位 移【4 1 。 八 ( 础( b ) ( a ) 支撑一框架结构( b ) 支撑一框架结构的侧移 图1 1 支撑一框架结构的工作性能 多高层钢结构中的支撑可分为两大类，一类是水平支撑，另一类是竖向支撑。 竖向支撑主要用于抵抗结构的水平侧移，它是通过在两根柱间设置一系列斜腹杆 构成的。当这些斜腹杆连接与梁柱节点时，称之为竖向中心支撑( 简称中心支撑) ， 否则称之为竖向偏心支撑( 简称偏心支撑) 。中心支撑宜采用十字交叉斜杆( 图1 2 ( a ) ) ，单斜杆( 图1 2 ( b ) ) ，人字形斜杆( 或v 形斜杆，图1 2 ( c ) ) 或k 形斜杆 ( 图1 2 ( d ) ) 体系。 、 7 力 ( c ) ( d )( e ) 图1 2 中心支撑的类型 中心支撑一框架具有良好的强度和刚度，但如果支撑设计得在强烈地震作用 下不屈曲，则造成地震作用过大，不够经济合理。如果中心支撑框架系统在中震 或强震时支撑受压发生屈曲而退出工作，则支撑的屈曲不能有效的耗散能量，这 使得结构的抗震能力下降，不利于结构抗震。基于这一事实，2 0 世纪7 0 年代美国 硕士学位论文 的p o p o v 提出了偏心支撑一框架的概念。偏心支撑的设计意图是：当地震作用足够 大时，耗能梁段屈服，而支撑不屈曲。 总之，上述传统的结构抗震设计主要致力于保证结构自身有一定的强度、刚 度和延性，以满足一定的抗震要求。如何使得结构兼有中心支撑框架结构刚度与 强度好和纯框架耗能大的优点呢? j c o r m e r 等人从这个角度出发，于9 0 年代初提出 控制损伤的性能设计。过去的设计方法在大震时抗震元件和梁、柱都要受到损伤， 而按照性能设计法，承受垂直荷载的梁和柱大体上处于弹性状态，仅需对另外设 置的制振构件的设计考虑耗能。两种方法的比较可简要说明如表1 1 ： 表1 1 两种设计方法的比较1 5 j 设计方法 过去设计 制震设计( 损伤控制设计) 震级 主结构主结构阻尼器 小震弹性弹性 塑性( 耗能) 大震塑性( 梁端损伤) 弹性 塑性( 耗能) 拆除损坏部分，检查阻尼器，取下更换后建筑物可 大震后 对建筑进行修复再利用 根据制振结构的考虑方法，梁端焊接部位的破坏问题回避了，大震后将制振 支撑更换后，房屋可重新使用。 1 2 2 约束屈曲支撑 对于多高层钢结构，目前最前沿的振动控制技术主要有两种，即耗能减震技 术与吸振制振技术。约束屈曲支撑一框架结构体系( b r b f ) 便是耗能减震技术在 实际工程中的应用。本文所要研究的约束屈曲支撑是一种新型的耗能支撑。顾名 思义，它与普通支撑的区别在于：普通支撑受压时存在屈曲问题，而约束屈曲支 撑由于外围约束单元的约束作用，内核元件在受压时会达到全截面屈服，通过屈 服滞回达到耗能的目的。约束屈曲支撑的基本设计思想是，让芯材承担轴向力， 套管不承受轴力，仅起防止支撑屈曲的作用。因此，支撑设计时可只计算强度， 不考虑失稳。约束屈曲支撑在弹性反应时是高劲度的斜撑构件，在屈服后则是一 种性能优越的消能组件，能有效地吸收地震输入的能量。图1 3 是约束屈曲支撑的 典型构成。 约束屈f f 支撑在多层钢框架中的应用研究 图1 3 约束屈曲支撑组成示意图及其构件 约束屈曲支撑在功能上与普通支撑一样，即主要作为轴向受力构件，只不过 约束屈曲支撑的设计轴向力由内核单元完全承担。约束屈曲支撑在构造上分三大 部分：内核单元、约束单元和滑动约束机制。内核单元一般选用低屈服点钢材， 从中部到两端依次由核心段、过渡段和连接段组成( 图1 4 ) 。 i 1 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 1 qo l ：! ：，唯二= 二= = = = = 二= 二二二= = = 二= 二二二二= 二= 二二二二二二：= 二二：二小二二二j 图1 4 约束屈曲支撑的纵向组成 核心段是内核单元中部较长的一段区域，是约束屈曲支撑最主要的构成部分， 它在全长上被约束单元包裹。核心段截面形状上主要有一字板形，十字板形、工 字形以及空心矩形等多种。连接段是内核单元两端与框架节点板相连接的区域， 未被约束单元所包裹，考虑到连接螺栓孔削弱以及缺少约束单元的可靠约束，其 截面形状要比核心段大许多，以保证强度和稳定要求。过渡段是内核单元从核心 段向连接段截面过渡的一段区域，与连接段相接部分同样暴露在约束单元外边， 而与核心段相接部分则被包裹在约束单元内部，其目的是实现内核单元截面转变 时的渐变，减少应力集中。约束单元多由钢管( 方形或圆形) 内填砂浆或混凝土组成 ( 图1 5 ) ，或者由空心的钢筋混凝土柱构成，外包在内核单元周围。 图国 图1 5 约束屈曲支撑常见截面 滑动约束机制包括间隙、涂层、限位卡和限位槽四部分，其作用是实现约束 坝士学位论文 单元提供且仅提供给内核单元核心段必要的防屈曲约束，而不能限制内核单元横 向( 截面方向) 的涨缩和纵向( 长度方向) 的伸缩。由于泊松效应，内核单元在受压时 会产生横截面上的膨胀，因此在内核单元和约束单元之间应保留必要的间隙，防 止内核单元受压时的环箍效应。同时，由于防屈曲约束是靠内核单元和约束单元 接触的相互作用实现的，内核单元与约束单元之间不可避免地会发生局部区域上 的接触和滑动。因此，内核单元应在被约束的区域全长涂刷无粘结涂层以降低乃 至尽可能地消除接触摩擦力。图1 6 中内核单元涂黑部分表示的就是无粘结涂层区 域。 图1 6 约束屈曲支撑内核的无粘结涂层 限位卡是设置在内核单元长度方向中部的板件突起( 图1 7 ) ，其作用是保证约 束单元与内核单元不会因为间隙的设置而发生整体的相互错动，以免支撑倾斜布 置以及反复受力时约束单元的滑脱。 图1 7 中部限位卡 限位槽是对称布置在约束单元两端封头板上的槽孔，内核单元的过渡区段由 此穿过。内核单元在核心区与过渡区连接部位发生截面的变化，为防止支撑受压 时过渡区的板件在纵向与混凝土直接接触，影响支撑受压性能，通常采用预留空 间的办法解决( 图1 8 ) 。 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 预留空间 限位槽 向核单元 + 混凝土 + 锕套管+ 封头顿 图1 8 限位槽及过渡区与混凝土之间预留空间 约束曲支撑区别于普通支撑的最大特点就是解决了支撑杆件的受压屈曲问 题，使得核心单元无论受拉还是受压都能够达到全截面屈服。国外的研究者利用 试验方法对此做过系统的分析对比，对相同截面面积的普通支撑和约束屈曲支撑， 后者在压力作用下屈曲得到有效抑制，滞回曲线对称饱满。较之普通支撑，约束 屈曲支撑在往复荷载作用下具有更好的耗能能力( 图1 9 ) 。 传统支撑 滋澎辫 繁i | | | il l 繇熙髫翔，川 黝礁，i 一黝孵铭；f 1 ：m 一- 一，。一乃，酗l l l 丑i ； 一 簪 r 一一一 1 约束屈曲支撑 ( 一) d i s p l a c e m e n to 卜( + ) ( 一) d i s p l a c e m e n t _ | ( + ) 传统支撑约束屈曲支撑 图1 9 国外某对比试验的荷载位移曲线 同本学者基于约束屈曲支撑的构成特点，即约束机制特殊的处理办法，在研 究和应用中称之为无粘结支撑( u n b o n d e db r a c e ，简称u b b ) ，美国学者则更多地 从受力特点考虑，称之为b u c k l i n g r e s t r a i n e db r a c e ( 简称b r b ) 。台湾的研究者沿用 了美国的命名办法，将这种支撑翻泽为“屈曲束制支撑”或“屈曲抑制支撑”。本 文在后续的背景介绍和研究中统一称其为“约束屈曲支撑”。 19 8 8 年f u 订m o t o 等对约束单元为矩形铡管内填砂浆的约束屈曲支撑进行了理 露j叠 幻影萝 硕l 学位论文 论和试验研究【6 | ，在保持内核单元截面尺寸不变的条件下通过改变约束单元的外径 和壁厚来模拟不同的约束条件，考察支撑的受力性能。试验中取= 0 5 5 3 8 2 ，( 为约束单元的欧拉荷载，只是内核单元的屈服荷载) ，对较大的值， 支撑表现出了良好的滞回性能( 图1 1 0 ) 。试验选取聚乙烯和聚苯乙烯树脂作为无粘 结涂层，基本上可以消除内核单元和外围混凝土之间的摩擦力，表现在从支撑滞 回曲线得到的初始刚度与内核单元本身的刚度吻合很好。初始缺陷的存在会劣化 支撑的初始刚度，尤其是只的值不是很大时。 图1 1 0f u ji m o t o 的试验结果( 19 8 8 ) 1 9 9 3 年t a d a 等提出约束钢管内插的约束屈曲支撑 7 1 ，与常见的外包式约束单元 相反，它是利用内插的钢管作为约束单元，防止直接承受轴向荷载的外钢管受压 屈曲( 图1 1 1 ) 。 n 图1 ”t a d a 的试验结果( 1 9 9 3 ) 2 0 0 0 年1 w a t a 等对日本四种产品的约束屈曲支撑( 图1 1 2 ) 进行了试验对比【8 1 。第 一种产品是根据1 9 8 8 年f u j i m o t o 等提出的设计概念制作的性能最为优异，在3 的应变下历经1 4 次加载循环后，破坏模式为砂浆的压碎和两端加劲板的断裂。第 二种产品是根据1 9 9 7 年k 锄i y a 等提出的概念制作完成，因为缺乏内填砂浆或混凝 土的有效约束，在四种产品中表现最差，加载第二周循环，应变不到1 时就在内 核中部发生板件屈曲，耗能能力不强。第三种产品是根据1 9 9 9 年f u k u d a 等的研究 制作而成，两根槽钢用高强度螺栓连接组成约束单元，在轴向压应变达2 5 时内 核单元出现局部屈曲，应变达3 时发生连接高强度螺栓的拉断，这种产品的耗能 性能仅次于第一种产品。第四种产品根据1 9 9 4 年s u z u k i 等的研究制作，宽翼缘型钢 作为内核单元，约束单元是矩形钢管，内部无砂浆或混凝土填充。在轴向压应变 约束屈f n 支撑存多层钢框架中的虑用研究 达2 时内核单元出现局部屈曲，同时矩形钢管有裂缝出现，应变达2 5 时裂缝贯 通而断裂。 ( b ) t y p e 2( c ) t y p e 3( d ) t y p e 哇 图1 1 21 w a t a 试验选取的四种截面( 2 0 0 0 ) o r ep l a t e s t e e lt i l b 8 在经历了1 9 9 4 年北岭地震后，上个世纪9 0 年代末约束屈曲支撑及其结构体系的 研究和应用在美国开始得到重视。1 9 9 9 年c 1 a r kp 等通过低周疲劳试验验证了约束 屈曲支撑的耗能能力和滞回受力性能的稳定性，给出了约束屈曲支撑和普通支撑 的滞回对叫9 1 ( 图1 1 3 ) 。 2 0 0 0 年n a k a m u r ah 等对 约束屈曲支撑的疲劳性能进 行了足尺寸试验研究【10 1 。内 核单元采用一字和十字板形， 内核单元全长拉压应变士 o 7 5 ( 卡目当于于层间位移角 约1 1 0 0 ) 条件下，内核单元等 截面的构件疲劳寿命大约为 2 0 0 次循环，内核单元变截面 ( 约束区段中部l 3 为屈服段) 的构件疲劳寿命大约为3 0 次 循环。在此基础上提出了考虑 j 厂 7 曲p 上。7 一1 少、z。 图1 1 3 普通支撑与约束屈曲支撑的滞回对比 应变集中的约束屈曲支撑构件疲劳寿命计算公式： 乞( ) = ( 2 0 4 8 口) 产朋 ( 1 1 ) 其中。为内核单元约束段内的拉压应变幅值，a 为内核单元屈服段长度与内 核单元约束段长度之比，为循环次数。考虑到一次地震的能量输入大约仅相当 于2 次循环，因此约束屈曲支撑可以经受多次地震而不必更换。 2 0 0 1 年k o e t a k ay 等提出四钢管作为约束单元的约束屈曲支撑，并进行了足尺 寸构件的试验研究】。这种约束屈曲支撑的内核单元与其他的约束屈曲支撑没有 区别，但约束单元采用四个并联的钢管( 图1 1 4 ) 。四钢管之间通过缀件连为一体， 与内核单元板件之间留2 3 m m 问隙。 一扩习一目一够一 邕 硕十学位论文 2 0 0 1 年台湾蔡克铨等研究了无粘结材料对滞回性 能的影响。针对传统型约束屈曲支撑需要设置拼接板 与框架连接而造成连接长度大、螺栓多、有效约束区 短等的问题( 图1 15 ) ，开发了双套筒双内核约束屈曲支 撑【l2 1 ，每个套筒各自偏心内插一片内核单元，组合后 的两内核单元端部夹节点板进行连接( 图1 1 6 ，图 1 17 ) ，并对这种新型的约束屈曲支撑进行了理论和试 验分析( 图1 1 8 ) 。 厂“。夕 ，一“q 苫。z | k 。，一 n 黟咚 。一一 图1 1 4 四管约束的约束 屈曲支撑 图1 15 传统型约束屈曲支撑的连接 图1 16 双钢管约束屈曲支撑的连接 j 崮国 图1 17 双钢管约束屈曲支撑的构成 e e 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 一 e 一 。 。= 一p 一 b e 绷吲 一。j l a p 】 基 u - j b e a m 荔 一一 图1 1 8 双管支撑的试验 2 0 0 3 年f i e l dc j 用有限元l s d y n a 的隐式求解方法对某约束屈曲支撑试验 进行了模拟13 1 ( 图1 1 9 ) ，数值结果与试验数据吻合得很好( 图1 2 0 ) ，验证了有限元 分析的可靠性，说明可以用数值模拟部分代替实际试验，减少试验的试件数目。 图1 19 约束屈曲支撑试验的数值模拟模型 d 1 s p l a c e m e n tc 。m p a n s 。n r 小 f 。r c ec 。m d a n s o n + f e s m 嘲妒t e s l桫。t e s t 象囊凌。蠹参霭；，! ? ? ：l2 霪 童i i i i ；参；! i ；37ii ? i 霪李雾孝l 4 0 0 0 惫龛鬟囊警警琴爹lj 套 象囊凌自蠹参霭， 霪 童z o o 口； 2 ；霉! if 1 i i “霉霉蓄髻；蓉渣涎嚣薹东塞狮蕊霜露耄髻 u ； 飞嚣嚣彰意 目前，我国对于约束屈曲支撑及其结构体系的研究尚处于起步阶段。同济大 学的罗树青、邓长根等对约束屈曲支撑的整体稳定进行了研究，推导了有初弯曲 的约束屈曲支撑的临界荷载与挠曲线方程，定义了在核心构件上的分布荷载的 参数和与参数相关的参数。同济大学的哈敏强、邓长根等分析了一种在核心构 硕上学位论文 件与外围约束间有较大间隙的约束屈曲支撑，推导了支撑的荷载一位移方程，并 得出简化公式。 约束屈曲支撑不同于一般钢结构制品，其制作精度要求很高。目前为止，整 体支撑构件都是由专门厂家生产，并有严格的产品制作和验收标准。日本的n i p p o n s t e e l ，美国的s t a rs e i s m i ca s s o c i a t e db r a c i n g i n c a ，c o r e b r a c e 等公司都有比较成 熟的生产工艺。图1 2 1 是美国s t a rs e i s m i c 的产品，其内核两端连接部位经过特殊 处理可以实现理想的铰接情形( 图1 2 2 ) 。图1 2 3 是用于美国b e n n e t t 联邦大楼加固 的支撑。 图1 2 1 约束屈曲支撑产品 图1 2 2 理想的铰接连接 图1 2 3 约束屈曲支撑构件 约束屈f f 1 支撑巾! 多层钢框架中的应用研冗 1 2 3 约束屈曲支撑一框架结构 1 9 9 9 年c l a r kp 等进行了大比例约束屈曲支撑钢框架的试验，为该体系在美国 的首次工程应用奠定了基础，此后的一系列研究成果被美国联邦紧急救援署的建 筑物抗震推荐条款( f e m a 4 5 0 ) 所采纳。 c 1 a r k 将一个三层韧性抗弯框架s m r f ( s p e c i a lm o m e n t r e s i s t i n gf r a n l e ) 与一个 重新设计的约束屈曲支撑一框架进行了抗震性能比较 2 。约束屈曲支撑一框架的 设计按1 9 9 4 年u b c 规范中对偏心支撑一框架的等效侧向力规定进行。研究发现重 新设计的框架大概减少了结构一半的用钢量。两个框架都用静力p u s h o v e r 方法进行 分析，比较了三个地震动作用下的最大变形( 图1 2 5 ) 。e 1 c e n t r o 波的地震加速度 峰值( p g a ) 为0 5 2 9 ，t a r 波的p g a 为0 5 1 9 ，j m a k o _ b e 波的p g a 为o 8 3 9 约束屈曲支 撑一框架结构的最大顶层侧移大概是抗弯框架的5 0 7 0 。 3 2 唑 犁 l e l r c e n t r o t i f t 龇世隧 1 0 505i 0 一1 0 5051 0 楼层位移i n 图1 2 5 韧性抗弯框架与约束屈曲支撑框的楼层位移对比 占( 胁j 约束屈曲支撑 图1 2 6y a m a g u c h i 的震动台试验( 2 0 0 1 ) 硕卜学位论文 2 0 0 2 年，y a m a g u c h i 等对设置普通支撑和约束屈曲支撑的钢框架进行了足尺寸 的振动台试验对比【1 ( 图1 2 6 ) ，考察支撑和框架的共同作用。选用e 1 c e n t r o ，k o b e 和h a c h i n o h e 三条地震波作为地震动输入，按照日本设计规范的两个水准，调整地 震波的峰值速度到2 5 c 州s 和5 0 c 州s 水平。普通支撑框架在第一水准呈弹性状态，耗 能能力很低，在第二水准下发生很大的变形，主要依靠框架梁的屈服耗能。约束 屈曲支撑框架在第一水准下就表现出良好的耗能能力，在第二水准下支撑屈服后 耗能能力没有降低而变形只有普通支撑框架的一半。 2 0 0 3 年，s a b e l l ir 等对支撑为人字形布置的3 层和6 层单跨约束屈曲支撑钢框 架进行了时程分析【1 5 】。框架底层层高5 5 m ，标准层高4 m ，跨度9 m ，建立模型时按 洛杉矶城区的抗震设防，场地类别为d ，设计谱加速度对短周期和1 秒周期分别为 鼢= 1 3 9 9 和品。= 0 7 7 9 。取5 0 年超越概率为1 0 的地震反应谱的等效静力水平荷 载，地震作用折减系数r 取6 和8 两组进行对比。特别检查了这类框架可能存在的问 题，如薄弱层的存在等。结果表明约束屈曲支撑框架对折减系数r 的取值不敏感。 其层间分布均匀。在地震作用下的内力重分布现象低于普通支撑框架。约束屈曲 支撑拉压性状不完全一致，同一楼层的受拉支撑屈服要先于受压支撑，使框架梁 产生残余变形。支撑x 形布置可减小这一现象。由于约束屈曲支撑的屈服后刚度几 乎为零，约束屈曲支撑钢框架的层间残余变形较大，可达到最大层间变形的4 0 6 0 。当与其他框架的相同值进行比较后，s a b e l l 得出结论，约束屈曲支撑一框架 结构的性能通常比采用传统中心支撑一框架和抗弯框架更好。 晚0 4 伽， 锤 静锨 狰删 魄脚 均值弋 雾嘲豳翩 l23 4567 暮9i nl i 2 i31 4 1 51 6 1 7i s l 92 0 地震记录 图1 2 76 层约束屈曲支撑一框架结构的楼层位移 2 0 0 4 年k i mj 等探讨了低层约束屈曲支撑钢框架的设计问题 1 6 】【1 。7 1 ，提出了直 接基于位移的设计方法。对在地震中保持弹性的铰接框架，用对应设计谱的人工 地震时程分析证明。该方法对3 5 层的低层支撑钢框架具有较好的精度。 美国在1 9 9 4 年n o r t h r i d g e 地震以后，对于约束屈曲支撑的钢结构体系也进行了 研究，并且在一些新的钢结构中进行了应用。2 0 0 0 年美国加州大学d a v i s 分校植物 与环境科学大楼建成。该结构采用了1 3 2 根约束屈曲支撑作为抗侧力构件，成为美 国第一栋使用约束屈曲支撑的结构【l8 1 。到目前为止，已经建成或正在建造的使用 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究 约束屈曲支撑的结构达3 0 余栋【”】。 中国台湾使用约束屈曲支撑的增长率也相当高，在短短三年中即增长许多， 可见其发展潜力。 约束屈曲支撑目前在中国大陆应用的还很少，但约束屈曲支撑的良好性能也 受到大陆学者和工程界的高度关注，并开始在某些高层建筑中尝试使用约束屈曲 支撑，如北京银泰大厦。 实际上，b r b f 是传统中心支撑一框架的一种特殊类型。日本工程界将约束屈 曲支撑看成滞后阻尼，按照控制损伤的设计概念，将约束屈曲支撑一框架结构体 系按并行系统( p a r a l l e ls y s t e m ) 进行设计，体系中主要结构均保持弹性状态，只通 过阻尼耗散能量【2 0 1 。地震后，只要更换形状改变的阻尼，结构即可恢复原状。 综上所述，采用约束屈曲支撑一框架结构体系我们不但可以获得中心支撑框 架刚度与强度好的优势，还能获得纯框架耗能大的优点。 1 2 4 约束屈曲支撑的工程应用 约束屈曲支撑的优势在于其强度和刚度指标易于控制，从而可以对结构的整 体性能进行控制和优化。约束屈曲支撑在同本的工程应用较早，目前约束屈曲支 撑在同本高层钢结构中使用很普遍，特别是在阪神大地震以后，这种支撑作为阻 尼器大量应用在工程中。目前全球拥有专利权的制造厂商，几乎都集中在日本。 以同本新同铁公司为例，截至19 9 8 年底完成的工程有9 0 多项，其中高层建筑占 13 ，中低层建筑占1 3 。日本大阪国际会议中心大楼，总高10 0 m ，抗侧力系统 选用了数百个此种支撑，最长的支撑长达2 2 m ，最大的支撑核心部分为宽5 5 c m 、 厚3 6 c m 的十字形断面，外部的方钢管截面宽度达6 5 c m 。日本丰阳市的巨蛋体育 场，高度9 2m 的斜张屋顶，使用了许多约束屈曲支撑作为耗能构件。 图1 2 8 3 6 为约束屈曲支撑在工程结构中的应用实例。 图1 2 8 日本丰田体育场 啊 洇麟一一 硕士学位论文 图1 2 9 日本大阪国际会议中心图1 3 0 美国加州大学种植环境实验所 图1 3 1 日本大阪某建筑物 图1 3 2 中国台湾台北县政府大楼 约束屈曲支撑存多层钢框架中的心用研究 图1 3 3 美国某新建超市 加固前 图1 3 4 美国某钢结构加固 加固后效果图 图1 3 5 美国某建筑物采用约束屈曲支撑进行抗震加固 ( a ) ( c ) ( b ) 图1 3 6 约束屈曲支撑的其它应用实例 ( d ) 硕 ：学位论文 目前遇到的最大障碍是约束屈曲支撑设计理论和方法的严重滞后，设计人员 无章可循。文献【2 2 】提出了基于能量的，采用滞回能量谱和累积塑性谱的约束屈曲 支撑一框架结构的抗震设计程序。该程序基于这一前提：抵抗重力荷载的单元( 如 梁和柱) 在地震期间保持弹性，所有输入的地震能量通过约束屈曲支撑构件来消 耗。所提出的这一设计程序需要符合各种目标塑性变形的滞回能量谱和累积塑性 变形谱。支撑构件的截面面积要满足某一给定目标位移。这一设计程序应用某三 层和八层的支撑一框架中。按照分析的结果，顶层位移的平均值与预定的目标位 移符合良好，中间层位移结果与结构高度相对一致( 这说明相对一致的损伤分配) 。 美国北加州工程师协会( s e a o n c ) 抗震委员会钢结构分会联合美国钢结构 学会( a i s c ) 和加州工程师协会( s e a o c ) 于2 0 0 1 年编制了约束屈曲支撑一框架 结构的设计推荐条款。该条款于2