防屈曲支撐的超強系數

毛玉坤 曲 哲

(1.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

防屈曲支撐的超強系數

毛玉坤1曲 哲2

(1.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了各國規范中關于防屈曲支撐連接節點的抗震設計條文，對與防屈曲支撐承載力超強相關的參數包括應變硬化系數和壓拉不等強系數作了研究，指出美國提出了這兩種系數，但并未給出具體的取值，我國的相關規定與美國類似，日本沒有區別應變硬化系數和壓拉不等強系數，而是以一個綜合的調整系數加以考慮。

防屈曲支撐，超強系數，連接節點設計

防屈曲支撐(BRB)具有飽滿而穩定的滯回耗能特性，是性能可靠的消能減震構件，廣泛應用于減震結構。防屈曲支撐框架的設計中，BRB連接節點起到連接BRB和主體結構的作用，是受力比較集中的地方，同時也是保障結構抗震性能的關鍵部位。各國規范往往要求即使BRB達到極限承載力，其連接節點也要保持彈性。因此，正確地確定BRB連接節點的承載力需求是其抗震設計的關鍵。BRB本身受力狀態明確且滯回性能穩定，這為連接節點承載力需求的確定提供了便利。盡管如此，BRB可能傳遞給連接節點的力往往遠大于其名義屈服承載力。BRB芯材在經歷較大的塑性變形后會有比較明顯的應變硬化現象，導致其承載力提高；BRB受壓時芯材與約束單元之間的摩擦等作用還會進一步使BRB承載力提高。這些都會反過來對連接節點提出更高的承載力需求。由應變硬化引起的BRB承載力超強與鋼材種類有關，且隨塑性應變或累積塑性應變而變化。而受壓承載力高于受拉承載力的程度則主要取決于BRB芯材與約束單元之間無粘結層的設計水平與施工質量。本文介紹各國抗震規范中對BRB連接節點抗震設計的有關規定，重點介紹確定連接節點抗震承載力時對BRB超強的考慮，為工程設計提供參考。

1 美國防屈曲支撐連接節點的相關設計規定

根據美國鋼結構學會出版ANSI/AISC 341-10鋼結構抗震設計規程的要求，BRB連接節點的承載力Pyj應不小于1.1倍的BRB調整后的受壓承載力Pac，即Pyj≥1.1Pac，其中，Pac可按式(1)計算。

Pac=βωRyPy

(1)

其中，Pac為BRB調整后的受壓承載力；β為受壓承載力調整系數，反映BRB拉壓不等強的特性；ω為考慮芯材應變硬化的系數；Ry為考慮芯材鋼材的實際屈服強度與名義屈服強度之間偏差的系數，對于美國常用的板材與型材，取值在1.1～1.3之間；Py=FyAs為防屈曲支撐的名義承載力，Fy為芯材鋼材的名義屈服強度，As為芯材截面積。系數β與ω的取值尚沒有統一的標準，而需要通過BRB的抽樣檢測試驗加以確定。AISC 341進一步要求試驗得到的β不得超過1.3。但對ω沒有相應的上限要求。此外，AISC 341要求檢測試驗中BRB的最小軸向變形不小于結構設計層間位移角對應的BRB軸向變形的2倍，且累積塑性變形不小于BRB屈服變形的200倍。系數β與ω的取值也正是在這樣的塑性變形條件下獲得的。

2 日本防屈曲支撐連接節點的相關設計規定

日本建筑學會《鋼結構連接設計指南》要求BRB的連接節點在BRB破壞之前始終保持彈性，并按式(2)計算連接部位的設計屈服承載力。

Pyj=αPy

(2)

其中，α為連接節點調整系數，它綜合反映了BRB芯材鋼材的應變硬化，芯材和連接節點鋼材材料強度的離散性等因素的影響。

記鋼材屈服強度的均值和方差分別為m(σy)和s(σy)，受拉強度的均值和方差分別為m(σu)和s(σu)，鋼材發生一定程度的應變硬化后其的強度平均值為ξ·m(σy)，ξ為硬化系數；并假設此時的強度方差s(ξσy)可按照在s(σy)與s(σu)之間進行線性插值來計算，如式(3)，式(4)所示。

s(ξσy)=s(σy)[1+(ξ-1)b]

(3)

(4)

在BRB連接節點的設計中，考慮BRB芯材發生一定程度的應變硬化后的鋼材強度平均值即為mb(ξσy)，方差為sb(ξσy)。而連接部位自身的強度的平均值和方差分別記為mj(σy)和sj(σy)。假設二者是獨立的隨機變量，且均服從對數正態分布，可得到使式(2)具有85.3%保證率的α值如式(5)所示。

(5)

其中，Fby，Fjy分別為BRB芯材和連接節點鋼材的名義屈服強度。可見，α是硬化系數ξ的函數，同時還取決于芯材和連接節點鋼材屈服強度的離散性。進一步分析表明，α可以近似為關于硬化系數ξ的線性函數，如式(6)所示。

α=gξ+h

(6)

其中，g，h均為線性回歸參數，與芯材、連接節點的鋼材種類有關。文獻[2]在條文說明給出了日本常用的各種結構鋼材的這兩個系數。給定芯材的硬化系數ξ，即可根據式(6)計算相應的連接部位調整系數α。若將鋼材應力—應變曲線簡化為雙線形模型，硬化系數ξ則可以進一步表示如式(7)所示。

(7)

其中，εa，εy分別為芯材的最大應變和名義屈服應變；k為屈服后剛度與初始剛度之比，對于日本SN B系列結構用鋼，k=0.03；對于強屈比較小的低屈服點鋼LY225，k=0.02；對于強屈比較小的低屈服點鋼LY100，k=0.06。

在確定連接節點調整系數α時取εa=0.015。這樣，對于SN400B和SN490B兩種鋼材，名義屈服強度分別為235 MPa和325 MPa，屈服應變分別為0.001 15和0.001 58，則根據式(7)可得對應于εa=0.015的硬化系數ξ分別為1.36和1.25。表1給出了連接節點調整系數α的取值。可見，用于連接節點承載力設計的調整系數α往往均大于芯材的硬化系數β，這反映了芯材和連接節點材料強度離散性的影響。表中同時考慮了兩種連接節點失效形式。一種為連接節點鋼材屈服；另一種為摩擦型高強螺栓發生滑動。值得注意的是，雖然摩擦型高強螺栓的實際承載力平均值與名義承載力之比相對較高(相當于式(5)中的mj(σy))，但由于實際承載力的離散性較大，體現為較大的方差(相當于式(5)中的sj(σy))，導致相應的連接節點調整系數仍較大。

3 我國防屈曲支撐連接節點的相關設計規定

我國現行抗震規范要求BRB連接節點在彈性范圍內工作，但對連接節點的設計沒有相應的具體規定。正在編制的《屈曲約束支撐應用技術規程(征求意見稿)》對此作了更為詳細的規定，要求連接節點在1.2倍的BRB設計軸力作用下保持彈性，具體如式(8)，式(9)所示。

Pjt≥1.2ωPay

(8)

Pjc≥1.2ωβPay

(9)

其中，Pjt，Pjc分別為連接節點的受拉和受壓承載力設計值；與美國AISC 341類似；β，ω分別為受壓承載力調整系數和考慮芯材應變硬化的調整系數；Pay為BRB的設計屈服軸力，相當于美國AISC 341中的RyPy，對于Q235鋼Ry=1.25。

表1 BRB連接節點調整系數

與美國AISC 341類似，系數β與ω的取值也需要通過試驗確定，并要求β不得超過1.3。不同的是，規定在1.2倍的BRB罕遇地震最大位移下確定β與ω的取值。

4 結語

本文整理總結了國內外關于防屈曲支撐超強系數方面的規定。在與防屈曲支撐相關的設計中，防屈曲支撐的連接部位總要求保持彈性，即只需對其承載力進行驗算。在這一驗算中，防屈曲支撐的超強系數是需要慎重選取的參數。

[1] ANSI/AISC 341-10.Seismic provisions for structural steel buildings[S].Chicago:American Institute of Steel Construction,2010.

[2] 日本建築學會，鋼構造接合部設計指針[S].東京:日本建築學會,2012:267-271.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[4] 中國工程建設協會標準.屈曲約束支撐應用技術規程(征求意見稿)[Z].2013.

The over strength factor of buckling restrained brace

MAO Yu-kun1QU Zhe2

(1.CCCCTongliConstructionLimitedCompanybyShare,Xi’an710075,China; 2.ChinaEarthquakeBureau,EngineeringMechanicalInstitute,EarthquakeEngineeringandEngineeringVibrationChinaKeyLaboratory,ChinaEarthquakeBureau,Harbin150080,China)

This paper introduced the seismic design provisions about buckling restrained brace buckling restrained brace in various countries specification, researched the over strength parameters related to buckling restrained brace bearing capacity including the strain hardening coefficient and compressive tensile unequal strength coefficient, pointed out American proposed the two coefficients, but did not give a specific value, China’s relevant provisions similar to America, did no difference the strain hardening coefficient and compressive tensile unequal strength coefficient, but as a comprehensive adjustment coefficient for reference.

buckling restrained brace, over strength factor, connected node design

1009-6825(2014)13-0049-02

2014-02-24

毛玉坤(1980- )，男，碩士，工程師； 曲 哲(1983- )，男，副研究員

TU352

A