屈曲約束支撐體系的應用與分析

夏明亮

摘 要:屈曲約束支撐體系在現實中的應用范圍十分廣泛,它有效地克服了傳統支撐框架的一些不足之處,在承載力、延性與滯回性等方面都有很大的提高。本文主要論述了屈曲約束支撐體系的基本原理和實際應用情況。

關鍵詞:屈曲約束支撐基本原理實際應用

中圖分類號:TU352 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0058-01

屈曲約束支撐體系是為了解決普通支撐框架受壓屈曲導致滯回性能差的問題而設計的,與傳統的支撐體系相比,具有承載能力強、延性與滯回性能比較好的優點,可以在大震時對主體結構起到很強的保護作用。

1屈曲約束支撐體系的基本原理

屈曲約束支撐體系是一種新型的鋼結構耗能支撐,整個體系的中心在于芯材,它一般是用屈服點比較低的鋼材料鑄造而成的,這種結構在軸向力的作用下能夠產生很大的塑性變形,從而達到耗能的效果,同時為了不讓芯材在受壓的時候整體都變得彎曲,芯材就被放置在一個特制的鋼管套中,并將混凝土和砂漿灌注于鋼管套中,起到定形和加固作用,這就能夠使芯材在受拉和受壓的時候都可以達到一定的屈曲程度。在灌注砂漿或混凝土的時候,通常會在芯材和砂漿之間設置一層無粘結性的材料,或者空留出一層比較狹小的空氣層,這是為了有效降低芯材受軸力時傳給砂漿或者混凝土的力,當然,盡量消除這個傳力能更有效地提高支撐的承載力,使得整個支撐結構在受到重壓的時候也能達到完全的屈服,受壓承載力和受拉承載力保持相當的數值,很好地克服了傳統的支撐結構受壓屈曲的不足之處,提高了支撐體系的承載能力,支撐的滯回曲線達到飽滿的狀態,抗震性能明顯增強。

屈曲約束支撐構架的橫截面具有多種類型,包括平板形、十字形、工字形、圓管形、方管形,有些類型的芯材與鋼管套之間沒有灌注混凝土或者是砂漿,這是根據芯材的架構方式和鋼管套的形狀而定的,芯材和鋼管套的組合具有天然穩定性的就可以將二者的自然縫隙作為空氣層,不用另外加固。

一般的屈曲約束支撐體系可分為約束屈服段、約束非屈服段、無約束非屈服段、無粘結可膨脹材料、屈曲約束機構五個部分。每一部分的作用和性能各有所側重,所使用的材料也有所不同,達到的支撐效果也相異,但五個部分有機組合才能使屈曲約束支撐體系的功能發揮到最大。具體來說,約束屈服段通常要使用延性比較好的鋼材,具有中等屈服強度,也可以使用高強度的低合金鋼材,以達到此段在反復荷載作用力的壓迫下所要求的標準強度值。

約束非屈服段一般是約束屈服段的延伸部分,被鋼管套和砂漿所包圍,為了讓它在彈性狀態下正常工作,就必須另外增加構件的截面積,可以用增加截面的寬度來實現,或者通過焊接加勁肋來達到預期目的。無約束非屈服段的特點是穿出鋼管套和砂漿,直接與框架相連接。它屬于約束非屈服段的部分延伸段。在現場進行安裝的時候,通常使用螺栓進行連接,有時也用焊接的方式來連接,各有所長,依據實際情況的需要而定。無粘結可膨脹材料的作用是能充分降低甚至可以消除支撐體系芯材受約束段和砂漿之間的剪力,經常選用的材料包括橡膠、硅膠、乳膠、聚乙烯額等等,它們都具有無粘結性和很強的彈性,可以起到有效緩沖壓力的效果。屈曲約束支撐體系的套管作用很大,這也是它與傳統支撐體系的最大不同點。支撐鋼管套的工作原理也非常簡單,容易理解,操作方面。支撐體系的芯材一般不和鋼管套發生接觸,所有荷載力都施加在芯材上面,芯材由于荷載力的作用便會發生彎曲變形,同時會給鋼管套的內壁帶來擠壓力,造成鋼管套的屈曲,產生彎曲應力。倘若彎曲應力小于材料的屈服強度,就使得芯材達到很高的應力水平,大大超出芯材材料的屈服強度,從而實現鋼管套對芯材的保護功能,提高支撐框架的承受能力。同時要注意的問題是使用的鋼管套必須具有足夠的剛度和強度,否則就會在受壓力的情況下發生局部的鼓曲。

屈曲約束支撐體系的特殊結構和技術原理使得它具備普通支撐框架和抗彎剛框架所沒有的優勢,所以在實際應用中的范圍十分廣闊,尤其在高層和超高層建筑中的應用效果更佳。

2屈曲約束支撐體系的實際應用

屈曲約束支撐體系在實際應用中有其它框架無可比擬的優勢。主要表現在一是在遇到小震的時候,屈曲約束支撐框架明顯比抗彎剛框架的彈性剛度要高出很多,容易達到規范的變形要求。二是在遇到強震的時候,屈曲約束支撐框架相較傳統中心支撐框架具有更強和更穩定的能量耗散能力,這關鍵在于屈曲約束支撐具有受拉和受壓屈服性。另外在抗震加固中,屈曲約束支撐體系的地基費用也比傳統的支撐體系框架便宜很多。同時,屈曲約束支撐體系的鋼材總用量也比其它框架結構的用量低很多,非常經濟便捷。三是在安裝方面,屈曲約束支撐體系是用螺栓連接到節點板上的,省去了現場焊接和檢測的步驟,容易操作,方便實用。四是屈曲約束支撐在遇到大震遭受嚴重損壞后,支撐構件可以進行更換。同時由于支撐的剛度和強度非常容易調整,這就使得屈曲約束支撐框架的設計比較靈活,且種類比較齊全。

隨著建筑物的層數越來越多,人們對建筑物的抗震性能的要求也愈來愈高,屈曲約束支撐體系不僅能夠達到建筑物所要求的抗震系數,還能降低震后的維修費用,這有賴于它獨特的設計方法。一般的支撐框架結構在強烈地震中,支撐體系和梁、柱結構都會受到嚴重破壞,而且無法修復,建筑物只能報廢。但是屈曲約束支撐體系卻能夠在強烈地震中進入塑性進行耗能,另外的主體結構或是保持彈性狀態或是也進入塑性耗能,所以屈曲約束框架的整體變形量比其它的框架結構要低很多,震后的建筑物還可以進行再利用,只要取下損壞了的屈曲約束支撐更換新的即可。

屈曲約束支撐體系的優越性能顯而易見,尤其是抗震結構構件的性能頗受青睞。但是現階段,國內外都沒有統一的屈曲約束支撐體系的標準,一般都是根據建筑本身的要求的而定的,通常采用建筑企業的行內標準。我國在這方面也借鑒了很多外國的先進研究成果,但是想要取得長遠的發展效益就必須開發研制適合我國建筑實際需求的屈曲約束支撐體系理論和實際應用技術。我國使用的屈曲約束支撐很多是從日本和美國進口的,價格比較昂貴,很難在市場上得到普及。目前,我國研制出一種符合我國鋼材生產能力屈曲約束支撐的芯材材料,稱為TJI型,具有的特點包括一是材料都是國產的,降低了成本費用和運輸費用,二是不再通過添加材料來提高穩定性,而是通過鋼管內的加勁肋結構來給支撐芯板提供足夠穩定的約束作用,同樣具有穩定的滯回性能。

3結語

綜上所述,經過研究和實踐的證明,屈曲約束支撐體系的確是一種非常高效的耗能構件,同時具備良好的延性與滯回性能以及強大的承載力,廣泛應用于建筑結構中。在關注屈曲約束支撐的優點的同時,也不能忽略了它依然存在很多理論方面的不足之處,進一步完善其理論體系和設計方法是一項長久課題。

參考文獻

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