防屈曲支撑可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力,采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。普通支撑受压会产生屈曲现象,当支撑受压屈曲后,刚度和承载力急剧降低。在地震或风的作用下,支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时,支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题,在支撑外部设置套管,约束支撑的受压屈曲,构成屈曲约束支撑。屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接,所受的荷载全部由芯板承担,外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲,使芯板在受拉和受压下均能进入屈服,因而,屈曲约束支撑的滞回性能优良。屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷,另一方面具有金属阻尼器的耗能能力,可以在结构中充当保险丝”,使得主体结构基本处于弹性范围内。因此,屈曲约束支撑的应用,可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能。
屈曲约束支撑的基本原理
防屈曲支撑可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力(参见图1
),采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。
普通支撑受压会产生屈曲现象,当支撑受压屈曲后,刚度和承载力急剧降低。在地震或风的作用下,支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时,支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差(参见图2)。
为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题,在支撑外部设置套管,约束支撑的受压屈曲,构成屈曲约束支撑(参见图3)。
屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接,所受的荷载全部由芯板承担,外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲,使芯板在受拉和受压下均能进入屈服,因而,屈曲约束支撑的滞回性能优良(参见图4)。屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷,另一方面具有金属阻尼器的耗能能力,可以在结构中充当“保险丝”,使得主体结构基本处于弹性范围内。因此,屈曲约束支撑的应用,可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能(参见表1-1)。
表1-1屈曲约束支撑框架与普通支撑框架的抗震性能比较 状态 传统支撑框架 屈曲约束支撑框架 主体结构 普通支撑 主体结构 屈曲约束支撑 小震 弹性 弹性 弹性 弹性 中震 弹性或塑性 弹性或屈曲 弹性 塑性(耗能) 大震 塑性 屈曲 弹性或塑性 塑性(耗能) 中、大震后 拆除损坏部分,影响建筑使用 检查屈曲约束支撑,更换不影响建筑物使用
屈曲约束支撑的产品性能
屈曲约束支撑一般由3部分构成,即核心单元、约束单元及滑动机制单元,其中核心单元即芯材,又称为主受力单元,是构件中主要的受力元件,由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字形、T形、双T形和一字形等,分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。约束单元又称侧向支撑单元,负责提供约束机制,以防止核心单元受轴压时发生整体或余部屈曲。比较常见的约束形式为钢管填充混凝土或纯钢型结构约束。滑动机制单元又称为脱层单元,是在核心单元与约束单元间提供滑动的界面,使支撑在受拉和受压时尽可能有相似的力学性能,避免核心单元因受压膨胀后与约束单元间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加,这种滑动单元一般是由一些无粘结材料制作而成的。
如前所述,常见的屈曲约束支撑包括两种类型——灌浆型和纯钢型(图3-1),灌浆型指约束材料为混凝土材料,而纯钢型则指整个产品仅使用钢材的情况,灌浆型产品为早期产品,在各国使用较为广泛,而纯钢型则相对发展较晚,但由于其自身优势明显,已开始在各国大面积使用。
灌浆型与纯钢型屈曲约束支撑有如下优缺点:1、灌浆型由于使用混凝土做为填充材料,与纯钢型相比,其质量较为难以控制,而纯钢型则可直接使用成熟的钢结构加工方式进行加工,质量可严格控制到机械产品的精度;2、灌浆型由于产品本身使用混凝土灌浆料,而纯钢型一般内部为空心结构,因此灌浆型自重要比纯钢型大很多;3、灌浆型由于受其自身产品结构的限制,很难将截面做的很小,而同样吨位下,纯钢型则形式更为自由,体积更小。 防屈曲约束的承载力由其自身芯材的截面和使用的钢材型号来进行控制,根据对于产品承载力的不同要求,芯板材料通常可采用低屈服点钢材(屈服强度160MPa和225MPa)、普通低碳钢(Q235钢)或其他高强钢(Q345钢、Q390钢、Q420钢),也就是在同一种屈服力的情况下,我们可以使用很多的组合来达到这个目的,如需要的屈服力为235MPa,则如果使用Q235钢,取其芯材截面为1,而使用Q160钢则为了达到这个屈服力,其芯材截面就需要取到1*235/160=1.46,因此通常情况下只要在进行产品设计时选择合理的芯材截面,则不同的钢材屈服力将完全无法对产品的性能产生影响。
屈曲支撑 布置在建筑物什么位置
屈曲约束支撑的总体布置原则与普通支撑类似,应布置在能极大限度地发挥其耗能作用的部位,同时不影响建筑功能与布置,并满足结构整体受力的需要,综合比较选择相对较好的方案,体现在平面布置上,屈曲约束支撑的布置应使结构在两个主轴方向的动力特性相近,宜沿结构两个主轴方向分别布置,尽量使结构的质量中心与刚度中心重合,减小扭转地震效应;在立面布置上,应避免因局部刚度削弱或突变形成薄弱部位,造成过大的应力集中或塑性变形集中。
屈曲约束支撑在结构中可布置的位置主要有:①地震作用下产生较大支撑内力的部位;②地震作用下层间位移较大的楼层。
屈曲约束支撑宜采用单斜形、V形、倒V形(即人字形)布置形式,如图4所示,且支撑与梁柱的连接角度宜在30~60度之间,应避免采用K形和X形布置形式;当采用偏心支撑的布置形式时,应注意采取措施保证屈曲约束支撑先于框架梁发生屈服。
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