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  • 消能减震技术——屈曲约束支撑

    2017年6月27日 09:13 作者:刘福振
     消能减震技术——屈曲约束支撑
    中国论文网w:u3i4H6|7\E(S @:M-c
    【摘要】屈曲约束支撑是新近发明并逐渐得到应用的一种抗
    震框架体系。因为屈曲约束支撑(BRB)在受拉和受压时都可屈服
    而不屈曲,因此克服了传统支撑体系的缺点。本文分两部分,第
    一部分介绍了该体系在各国家和地区应用和研究的进展情况,第
    二部分主要介绍其基本原理和各组成部分的概况、BRBF 的特点。
    【关键词】屈曲约束支撑;屈曲约束支撑框架;屈曲;抗震
    设计
    【中图分类号】TU352.1
    1 国内外现状
    20 世纪 70 年代,国际土木工程界首次提出了结构振动控制的
    概念。美国是开展消能减震(振)技术研究较早的国家之一。早
    在1972 年竣工的纽约世界贸易中心大厦就安装了10000个粘弹性
    阻尼器(减小风振)。日本是结构控制技术应用发展最快的国家,
    特别是 1995 年神户地震发生后,采用结构控制技术的建筑如雨后
    春笋般涌现出来。在加拿大,Pall 型摩擦阻尼器已被应用于许多
    新建建筑和抗震加固工程中,在减小结构的振动作用时,还取得
    较好的经济效益。
    20 世纪 80 年代初,我国土木工程界王光远院士首先引入了结
    构振动控制的概念,随后国内土木工程界的广大学者、研究人员
    深入展开了结构隔震、消能减震、吸振减震、主动控制、半主动
    控制和混合控制等方向的研究,理论和试验研究、方案设计、结
    合实际工程分析研究、试点工程和应用等工作逐步推进,并朝着
    标准化、规范化、产业化的方向迈进。从 90 年代以来,我国学者
    和工程技术人员也致力于该技术的研究与工程实用。
    2 效能减震产品的分类
    消能减震装置的分类方法有多种。按其与位移、速度的相关
    性可分为位移相关型消能减震器(如摩擦阻尼器、金属屈服阻尼
    器和屈曲约束支撑)、速度相关型消能减震器(如粘滞阻尼器)和
    速度位移相关型消能减震器(如粘弹性阻尼器);按其制造材料可
    分为金属消能减震器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器;按其消能减
    震机理可分为摩擦消能减震器、弹塑性消能减震器、粘滞阻尼器
    (粘弹性阻尼器)。
    2.1 屈曲约束支撑概述
    屈曲约束支撑(Buckling Restrained Brace——简称 BRB)
    主要由内芯耗能单元,外围约束单元与两者之间的缝隙或无粘结
    材料组成。内芯单元为钢芯,截面形式多为“一”形、“十”形、
    “H”形等多种形式:外围约束单元多为纯钢构件或钢管混凝土构
    件;无粘结材料有硅胶板,橡胶板等多种材料。屈曲约束支撑体
    系主要由内芯单元承受轴力,外围约束单元为内芯单元提供侧向
    刚度,防止内芯单元在轴向压力作用下发生屈曲,在轴向拉伸、
    压缩受力状态下,屈曲约束支撑比普通钢支撑能够表现出更加饱
    满的滞回曲线,体现优良的滞回耗能性能,因此被广泛的应用于
    实际工程项目中。
    2.2 屈曲约束支撑的分类
    屈曲约束支撑根据构造形式分成纯钢型和填充型两种类型。
    按照使用功能分类,屈曲约束支撑有阻尼型支撑、耗能型支撑,
    承载型支撑三种类型。
    1)阻尼型防屈曲支撑。在小震阶段即开始屈服耗能的屈曲约
    束支撑为阻尼型屈曲约束支撑其芯板一般采用低屈服点钢材。由
    于钢材屈服后弹性模量仅为屈服前的 2%,因此其刚度相对较小(为
    割线刚度,也即等效刚度)。当主体结构刚度较大,需要附加阻尼
    比提高结构抗震性能时,应需用阻尼型屈曲约束支撑。
    2)耗能型屈曲约束支撑。在中震或大震阶段才开始屈服耗能
    的屈曲约束支撑为耗能型屈曲约束支撑。当屈曲约束支撑既要提
    高结构刚度、承载力,又要在中、大震作用下屈服耗能时,应选
    用耗能型屈曲约束支撑。一般情况下,设计中应保证支撑在中震
    阶段进入屈服。
    3)承载型屈曲约束支撑。大震阶段支撑仍保持弹性的屈曲约
    束支撑为承载型屈曲约束支撑,但支撑仅用于提高结构的刚度及
    承载力时,应选用承载型屈曲约束支撑。
    2.3 屈曲约束支撑构造
    众所周知,在受弯构件中,桁架的材料效率比实腹式构件高
    很多,因此其经济性也很更好。框架-支撑结构实际上是“竖起来
    的桁架”。因此,框架-支撑结构是一种高效的结构形式。但是,
    普通支撑受压会产生屈曲,屈曲后支撑的刚度和承载力突然急剧
    下降。这种脆性破坏无征兆,是必须要避免的破坏形式,也正因
    此普通支撑的滞回性能很差,这也限制了框架-支撑结构的应用和
    发展。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,抑制支撑的受压屈曲,形成屈曲约束支撑。屈曲
    约束支撑由约束单元约束内核钢支撑,以防止内核钢支撑在压力
    作用下发生屈曲。内核钢支撑与约束单元之间可以自由相对滑动,
    工作时仅内核钢支撑受力。防屈曲支撑的常用截面形式“一”形、
    “十”形、“H”形。屈曲约束支撑在拉力和压力作用下均可达到
    强度屈服。经过合理设计的防屈曲约束支撑具有良好的延性和稳
    定饱满的滞回特性,可作为减震阻尼器和抗震构件使用。
    2.4 芯板钢材的材性要求
    对芯板钢材的材料性能要求为:
    (a) 芯板钢材应有明显的屈服台阶,屈服强度不宜大于
    235N/mm
    2
    (承载型防屈曲约束支撑不受限制),伸长率不应小于25%;
    (b) 钢管的弹性屈曲承载力应大于屈曲约束支撑极限承载
    力计算 1.2 倍;
    (c) 屈曲约束支撑应能在 2 倍设计层间位移角的情况下,限
    制芯材的局部和整体屈曲。
    2.5 屈曲约束支撑的适用范围
    只要不影响建筑使用功能,屈曲约束支撑适用任何建筑。当
    由于门、窗等原因不宜布置屈曲约束支撑时,可以考虑采用防屈
    曲钢板墙。屈曲约束支撑主要有两个作用;提高结构抗侧刚度和
    消耗地震能量减小主体结构损伤。
    从提高结构抗侧刚度来看,屈曲约束支撑适用于;高烈度地
    区、大跨度、高柔及高耸等对结构抗侧刚度要求较高的建筑。与
    增加梁柱截面和采用钢筋混凝土墙对比,其经济优势明显,且有
    利于结构裂缝防治。
    从消耗地震能量角度来看,由于支撑两端相对变形越大,支
    撑内力越大,消能减震效果就越显著,因此,屈曲约束支撑适用
    于高烈度地区及层间变形较大的建筑。
    屈曲约束支撑不仅可以用于新建建筑,还可用于既有建筑的
    抗震加固和地震后真损结构的加固,一方面由于屈曲约束支撑的
    抗侧刚度较大,使得需要加固的构件数量大幅减少。另一方面,
    屈曲约束支撑的耗能作用,减少了主体结构的地震内力,提高了
    抗震性能。因此,无论从刚度还是能量角度来看,采用屈曲约束
    支撑均能减少加固构件数量,提高结构性能,节省材料和施工成
    本。
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