开孔与开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑设计方法研究

开孔与开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑设计方法研究

新型保护剂的开发和应用1938年，日本开发了三围管的抗弯能力支撑，并对其进行了研究。根据三围管反弯能耗的反复加载试验结果，竹板和成等人对承载能力提高率和塑性变形能的研究，并将abaqus用于元分析。松岛直树等人以增强三围管和本地电缆的张力棒力学特性，以及对内部和外部弯射管的限制作用进行了重复加载试验。根据试验结果，吉野谷等人对三围管的抗弯能耗支撑的机械性能进行了研究，并对其进行了评价。结果表明，连接刚性的设计标准有利于提高支撑的标准外部弯曲能力。邓雪松等人使用ansys软件对三、截面屈曲的抗弯能耗进行了金元分析。周云等人提出了“基于中心单元局部削弱和其他部分加强”的新型抗弯能耗支撑的概念，并提出了两种新的抗弯能耗支撑方案：“开孔式”和“开槽式”。利用主管的开口或槽法，将屈曲部分和非屈曲部分分隔开来，并对三、四级别的三、四级管道的断裂能耗进行了实验研究和开元分析[7、8、9、10、11、12、13、14、15]。开孔和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑是性能良好的耗能减震构件,因此对开孔和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑设计方法的研究是有必要的。本文结合国内外相关规范,通过理论分析和有限元模拟,提出开孔与开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的设计方法,然后通过试验验证该设计方法的正确性。1曲能耗支撑构造和核心钢管开孔和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑是依据“核心单元局部削弱相当于其他部位加强”的新型防屈曲耗能支撑设计思想设计而成,开孔式及开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑构造和核心钢管如图1和图2所示。开孔或开槽的数量可以为1个,也可以为多个。这两种防屈曲耗能支撑具有以下性能优点[7,8,9,10,11,12,13,14,15]:①根据“强”与“弱”的相对性,核心单元局部削弱相当于其他部位加强,即核心单元通过开孔或开槽使核心单元的薄弱部位由端部转移到开孔或开槽部位,避免了支撑端部加强工序;②核心单元的屈服首先发生在局部削弱部位,故支撑具有“定点屈服”的功能,这比较有利于核心单元的设计。2支持设计方法2.1支撑臂的设计2.1.1屈曲支撑的设计设计承载力用于验算结构在小震作用下的支撑是否处于弹性状态。支撑的轴力小于支撑的设计承载力说明支撑处于弹性状态,因此设计承载力可以初步验算选择支撑的合理性。考虑到钢材供应的公差、钢材屈服点的离散,以及实际存在的摩擦、泊松效应、包辛格效应等因素的影响,防屈曲支撑的设计承载力应留有一定的安全储备。美国规范建议防屈曲耗能支撑的设计承载力取用核心单元全截面屈服荷载值的0.9倍:Pd=ϕPy(1)式中:Py为核心单元的屈服承载力;ϕ为安全系数,ϕ=0.9。我国GB50017—2003《钢结构设计规范》对钢材的设计指标规定,钢材的抗拉、抗压强度设计值=钢材的屈服强度/抗力分项系数,钢材抗力分项系数对于Q235级钢材取γR=1.087,对于Q345级钢材取γR=1.111,大致相当于1/0.9的水平。因此,结合式(1)防屈曲耗能支撑设计承载力可取为:Pd=Acf(2)式中:Ac为核心单元耗能段的截面积;f为核心单元的强度设计值,对于Q235级钢材,f=215MPa。在风荷载或小震与其他静力荷载组合下最大拉压轴力设计值F应满足下式要求:F≤Pd(3)2.1.2核心钢管屈服强度的确定屈服承载力用于结构的弹塑性分析,是支撑首次进入屈服耗能时的轴向力。开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的屈服承载力按下式计算:Py=A1fy(4)式中:fy为核心钢管的屈服强度;A1为开孔或开槽部位的净截面积。当开孔或开槽部位削弱面积小于20%的非开孔或开槽部位的截面积时,支撑的屈服承载力偏安全地取核心钢管的屈服强度与非开孔或开槽部位截面积的乘积,即:Py=Afy(5)式中:A为核心钢管非开孔或开槽部位的截面积;fy为核心钢管的屈服强度。2.1.3下拉压屈服分析极限承载力是用于防屈曲耗能支撑的节点及连接设计。防屈曲耗能支撑的芯材在地震作用下拉压屈服会产生应变强化效应,考虑应变强化后的最大承载力为支撑的极限承载力,可按式(6)计算:Pu=βΩhPy(6)式中:β为受压承载力调整系数,对于Q235级钢材,取β=1.6;Ωh为钢材强化系数,对于Q235级钢材,取Ωh=1.15。2.2主管夹和内管夹的设计2.2.1孔长和槽长的确定开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑与普通三重钢管防屈曲耗能支撑相类似,开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的核心钢管也应满足一定的径厚比要求,根据有限元分析的结果,核心钢管的径厚比应不大于22。孔宽或槽深的确定既要满足支撑能够降低屈服点又要避免因屈服点降低过多导致支撑的刚度下降。根据有限元分析的结果,屈服力降低或者截面积削弱宜控制在20%以内。孔长或槽长的确定必须保证开孔或开槽部分的屈服先于屈曲,因此孔长或槽长应满足:π2EIl2>γPy(7)π2EΙl2>γΡy(7)式中:E为弹性模量;I为开孔或开槽部位绕弱轴的惯性矩:对于开孔支撑,按式(8)计算,式中符号意义如图3所示;对于开槽支撑,按式(9)计算,式中符号意义如图4所示;l为孔长或槽长;γ为调整系数,取γ=2;Py为开孔或开槽部位的屈服荷载,对于开孔支撑,Py=fyA0,A0为1/4倍的开孔部位净截面积(图3),A0=1/4π(R2-r2)-bδ,b为孔宽;对于开槽支撑,Py=fyA0,A0为开槽部位的净截面积(图4),A0=π[(R-s)2-r2],s为槽深;fy为核心钢管的屈服强度。I≈δ(2D−δ)38(θ+sinθcosθ−2sin2θθ)(8)Ι≈δ(2D-δ)38(θ+sinθcosθ-2sin2θθ)(8)I=π4[(R−s)4−r4](9)Ι=π4[(R-s)4-r4](9)式中:D=R-b/2。当孔宽或槽深确定时,EI与Py为已知量,根据式(10)便可以确定孔长或槽长:l<π2EIγPy−−−−√(10)l<π2EΙγΡy(10)2.2.2内钢管和外钢管弹性模量为保证开孔式或开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑在地震作用下不发生整体屈曲,通过有限元和理论分析,支撑的约束比应满足ζ≥2,即内外钢管的抗弯刚度应满足式(11)或式(12)要求:π2E(Ii+I0)(μL)2≥2Py(11)π2E(Ιi+Ι0)(μL)2≥2Ρy(11)或:Ii+I0≥2Py(μL)2π2E(12)Ιi+Ι0≥2Ρy(μL)2π2E(12)式中:E为内钢管和外钢管的弹性模量;Ii、Io分别为内钢管和外钢管的抗弯刚度;μL为支撑的等效长度,铰接时μ=1,刚接时μ=0.5,其他边界条件按具体情况取值,取值范围在0.5和1之间;Py为核心钢管的屈服荷载。2.3极限承载力pu与开孔式或开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑相连的节点承载力应大于开孔式或开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的极限承载力Pu,以保证节点能够承受罕遇地震下可能产生的最大内力。防屈曲耗能支撑安装于建筑结构中可以采用螺栓连接,也可以采用焊接连接。2.3.1规范中抗滑移系数u螺栓的连接应保证与防屈曲耗能支撑相连的节点在罕遇地震作用下不发生滑移,支撑主要承受动力荷载作用,因此宜选用摩擦型高强度螺栓连接。摩擦型连接高强度螺栓的数量n可由式(13)确定,计算中安全系数取1.2。n≥1.2Pu0.9nfuP(13)n≥1.2Ρu0.9nfuΡ(13)式中:nf为传力摩擦面数目,单剪时,nf=1;双剪时,nf=2;P为一个高强度螺栓的力,按GB50017—2003《钢结构设计规范》中表7.2.2-2采用;u为摩擦面抗滑移系数,按GB50017—2003《钢结构设计规范》中表7.2.2-1采用。螺栓的连接如螺栓中心间距与螺栓中心至构件边缘最小容许距离应满足一定的构造要求。采用螺栓连接时,支撑的连接段的截面积被螺栓孔削弱,因此应验算连接段危险截面是否满足要求。2.3.2螺栓连接的运用开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的钢管与端板的连接需要焊接,或者对于极限承载力较大的支撑,如果节点采用螺栓连接,所需的螺栓数量比较多,使得节点所需连接段较长,此时节点可采用焊接连接。焊接连接宜采用对接焊缝,且节点钢材强度设计值不应低于支撑与节点相连端钢材的强度设计值,焊接连接的承载力Pf应满足式(14)要求:Pf≥1.2Pu(14)2.4选择合适的钢管类型开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的设计流程如下:(1)首先选用钢材级别,支撑的核心钢管宜优先采用低屈服点钢材,且应具有工作温度条件下的冲击韧性合格保证,核心钢管部分不允许有接头。(2)根据支撑的屈服荷载确定核心钢管的横截面积。(3)结合核心钢管的径厚比要求选用合适的钢管类型。(4)确定核心钢管。若采用开孔式支撑,则确定开孔的宽度与长度,并确定开孔的排数,一般情况下孔宽取5～10mm,孔长取100mm;若采用开槽式支撑,则确定开槽的深度和长度,并确定开槽的个数,一般情况下槽深取钢管壁厚的10%,槽长取50～100mm;当开多排孔或多个槽时,应保证每一个孔或槽的尺寸相同。(5)确定支撑的间隙,一般情况下,间隙取1～2mm。(6)结合支撑的约束比,根据式(12)确定内外钢管的刚度,根据钢管的刚度选择合适的内外钢管型号。(7)根据支撑的极限承载力计算支撑连接段的厚度与宽度。(8)根据式(13)计算螺栓孔的直径与个数并确定连接段的长度。(9)验算连接段危险截面是否满足要求。(10)确定支撑的长度和刚度。(11)确定支撑的屈服位移。3核心单元长度的选择根据以上确定的设计方法,分别设计了一开孔式和一开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑试件,设计参数如表1所示,开孔式试件的核心钢管的开孔尺寸为100mm(孔长)×6mm(孔宽),开槽式试件开槽的尺寸为6mm(槽长)×0.5mm(槽深),开孔与开槽部位均在核心钢管中间。试验加载装置图见图5所示。试验加载制度采用支撑变形幅值逐步增大的位移控制加载,试验加载幅值分别对应于1/600(5mm)、1/300(10mm)、1/200(16mm)、1/150(22mm)、1/100(32mm)、1/75(43mm)、1/50(64mm)倍支撑核心单元长度,同一幅值进行拉伸和压缩往复各两次变形(开槽式支撑未进行1/75(43mm)幅值加载。在试验中,开孔式和开槽式支撑试件在加载到位移幅值为1/50支撑长度的第一加载圈时,均表现出了良好的工作性能,试验所得的滞回曲线饱满、规律性和对称性好;在相同的位移幅值下,滞回圈基本重合;在加载过程中,随着位移的增加支撑轴力稳定增长;试验中支撑均未出现刚度突变或退化现象。在加载幅值为1/50支撑长度的第二加载圈中,两个支撑试件均出现了不同的破坏,其中开孔式支撑试件核心钢管端部发生局部屈曲,开槽支撑试件整体屈曲。试件虽然发生破坏,但已满足罕遇地震作用下建筑结构1/50的楼层位移变形要求。试验结束后所得出的滞回曲线如图6所示。从图6中可看出,试件的滞回曲线饱满,最后一圈时,开孔式试件因核心钢管的端部发生局部屈曲,开槽式支撑发生整体屈曲,故支撑的承载力下降。试验结果表明,