兩端銷軸型屈曲約束支撐連接節(jié)點(diǎn)分析與安裝技術(shù)研究

王 軼

(上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海200941)

1 引言

屈 曲 約 束 支 撐［1－2］(buckling-restrained brace)由軸力支撐單元(芯板)、屈曲約束單元(套管)以及套筒內(nèi)無黏結(jié)材料組成(圖1)。芯板位于中部，用來承受結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸向荷載，是屈曲約束支撐的最主要受力構(gòu)件，要求其在拉壓荷載作用下反復(fù)屈服，因此需用延性好、屈服強(qiáng)度穩(wěn)定的鋼材制成，芯材被置于一個(gè)鋼套管(steel tube)內(nèi)，然后在套管內(nèi)灌注填充材料。在芯材和砂漿之間設(shè)有一層無黏結(jié)材料或非常狹小的空氣層(gap)。通過套管的作用防止芯板在受壓時(shí)產(chǎn)生整體或局部屈曲，因而屈曲約束支撐在受拉和受壓時(shí)都發(fā)生屈服而不失穩(wěn)，且屈服受力時(shí)穩(wěn)定性能好，在強(qiáng)震時(shí)具有很強(qiáng)的耗能能力。屈曲約束支撐起源于美國(guó)，在20世紀(jì)70～90年代發(fā)展于日本。屈曲約束支撐在日本應(yīng)用較多，隨著我國(guó)抗震意識(shí)的提高，我國(guó)大陸地區(qū)目前也開始推廣這種支撐體系，并且在北京、上海、西安等城市的在建建筑中已經(jīng)開始使用［3］。

圖1 屈曲約束支撐的基本構(gòu)成圖Fig．1 Configuration of BRB

對(duì)于設(shè)有屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)，在小震作用下，主體結(jié)構(gòu)和屈曲約束支撐均保持彈性，采用基于線性化的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，屈曲約束支撐按照剛度相等的原則進(jìn)行建模分析，并控制其強(qiáng)度和變形在屈服范圍之內(nèi)，即按照“小震等效剛度設(shè)計(jì)法”進(jìn)行設(shè)計(jì)。在大震作用下，主體結(jié)構(gòu)和屈曲約束支撐兩者都進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，使用非線性分析方法進(jìn)行計(jì)算，屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的分析模型根據(jù)實(shí)測(cè)滯回曲線得到雙線性骨架曲線進(jìn)行模擬，并復(fù)核其最大變形在產(chǎn)品的極限變形能力之內(nèi)，即按照“大震變形控制設(shè)計(jì)法”進(jìn)行設(shè)計(jì)。BRB(屈曲約束支撐)在彈塑性階段工作時(shí)，變形能力強(qiáng)、滯回性能好(圖2)，就如同一個(gè)性能優(yōu)良的耗能阻尼器，可以全面提高結(jié)構(gòu)在地震下的抗震性能。其設(shè)計(jì)理念如下:強(qiáng)節(jié)弱桿，使節(jié)點(diǎn)的失穩(wěn)荷載Pcr或設(shè)計(jì)承載力高于中間芯板的極限承載力，則在芯板損壞之前，支撐不會(huì)發(fā)生破壞［7］。

圖2 BRB與普通支撐滯回性能對(duì)比Fig．2 Comparison between BRB and regular braces

銷軸安裝的主要問題在于傳統(tǒng)的銷軸連接技術(shù)中銷軸比孔徑小2 mm，即精度為2 mm，由于空隙較大造成屈曲約束支撐這一消能構(gòu)件的耗能能力大打折扣，同時(shí)銷軸本身的承壓能力也由于空隙較大而有所降低。銷軸連接的連接板做法有兩種，一種為兩側(cè)增加加勁肋，雖然保證了節(jié)點(diǎn)板不會(huì)失穩(wěn)，但往往給支撐的安裝帶來麻煩;另一種是不增加加勁肋，雖然經(jīng)過常規(guī)計(jì)算能夠滿足不失穩(wěn)，然而加工和安裝造成的初始缺陷卻很少有人考慮。除上述問題外，由于支撐的長(zhǎng)度大于安裝節(jié)點(diǎn)之間的空隙長(zhǎng)度，兩端銷軸的屈曲約束支撐安裝問題更為突出，其一端連接板往往需要現(xiàn)場(chǎng)與主體梁柱焊接。為解決上述問題，結(jié)合甘肅科技館項(xiàng)目，本文進(jìn)行了一些有益的探討。

“甘肅科技館項(xiàng)目”的結(jié)構(gòu)體系為“鋼梁－鋼管砼柱混合框架－屈曲約束支撐”混合結(jié)構(gòu)，框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁采用箱形或H型鋼梁，樓板采用鋼筋桁架樓板。由于蘭州地區(qū)屬于高烈度地震區(qū)，本文對(duì)選擇合適的支撐，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，保證支撐和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能進(jìn)行相關(guān)的研究和計(jì)算。

2 連接銷軸的設(shè)計(jì)方法

屈曲約束支撐具有承載力高，延性與滯回性能好，利于抗震，截面尺寸和長(zhǎng)度選擇范圍大，剛度可控，分析精度高，連接方式靈活，損傷后便于更換等優(yōu)點(diǎn)［4］。屈曲約束支撐能夠吸收大量的地震能量，延緩關(guān)鍵和主要構(gòu)件的屈服破壞的時(shí)間，減輕主體結(jié)構(gòu)的損傷，提高結(jié)構(gòu)在大震的安全度。屈曲約束支撐與主體結(jié)構(gòu)的連接形式多種多樣，主要有焊接連接、高強(qiáng)螺栓連接及銷軸連接［5－6］。其中，焊接連接傳力直接、安裝簡(jiǎn)單;銷軸連接雖然安裝較為復(fù)雜，然而由于其釋放了轉(zhuǎn)動(dòng)約束，傳力更為簡(jiǎn)單，而且其形式簡(jiǎn)潔大方，更適合用于支撐外露的情況。

為保證銷軸的承載力滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)保證連接的承載力大于屈曲約束支撐承載力。設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括焊縫的設(shè)計(jì)、銷軸孔設(shè)計(jì)、連接板強(qiáng)度驗(yàn)算、連接板穩(wěn)定驗(yàn)算。

2．1 焊縫設(shè)計(jì)方法

焊縫Lw1的長(zhǎng)度如圖3所示。

應(yīng)按下列公式進(jìn)行受拉、受壓以及受剪的計(jì)算。

按照受拉計(jì)算應(yīng)遵循式(1):

按照受壓計(jì)算應(yīng)遵循式(2):

按照受剪計(jì)算應(yīng)遵循式(3):

當(dāng)考慮復(fù)合受力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)需滿足式(4)的應(yīng)力要求:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

fc

w——連接板鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);

ft

w——連接板鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);

fv

w——連接板鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);

t——連接板厚度(mm)。

Lw2的計(jì)算方法同上。

2．2 銷軸孔設(shè)計(jì)方法

銷軸應(yīng)按下列公式進(jìn)行承壓、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 銷軸連接板受剪面示意圖Fig．4 Shear-resistance of pin-connection

銷軸承壓強(qiáng)度應(yīng)按照式(5)進(jìn)行計(jì)算:

銷軸抗剪強(qiáng)度應(yīng)按照式(6)進(jìn)行計(jì)算:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

t——耳板厚度(mm);

nv——受剪面數(shù)目。

2．3 連接板強(qiáng)度驗(yàn)算

連接板如圖5所示，應(yīng)按下列公式進(jìn)行抗拉、抗剪強(qiáng)度計(jì)算。

圖5 銷軸連接板Fig．5 Pin-connection plate

連接板凈截面處的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按照式(7)、式(8)進(jìn)行計(jì)算:

連接板端部截面抗拉(劈開)強(qiáng)度應(yīng)按照式(9)進(jìn)行計(jì)算:

連接板抗剪強(qiáng)度應(yīng)按照式(10)、式(11)進(jìn)行計(jì)算:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

b1——計(jì)算寬度(mm);

d0——銷軸孔徑(mm);

f——連接板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);

Z——連接板端部抗剪截面寬度(mm);

fv——連 接 板 鋼 材 抗 剪 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì)值(N/mm2)。

3 銷軸連接板穩(wěn)定驗(yàn)算

銷軸連接板除按照上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)外，對(duì)不增加加勁肋的形式還應(yīng)進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析，本文選取某實(shí)際工程的連接節(jié)點(diǎn)，采用ABAQUS建立有限元模型［8］，進(jìn)行非線性分析。

3．1 模型建立

模型幾何尺寸如圖6所示，節(jié)點(diǎn)板厚度有40 mm和50 mm兩種，分別建模分析。

圖6 節(jié)點(diǎn)板尺寸(單位:mm)Fig．6 Details of connection plates(Unit:mm)

節(jié)點(diǎn)板采用Q345GJ鋼材。如圖7所示，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線采用試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，并轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

圖7 鋼材應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系Fig．7 Constitutive relationship of steel

采用ABAQUS中S4R殼單元對(duì)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖8。

圖8 節(jié)點(diǎn)板網(wǎng)格劃分Fig．8 Mesh of connection plate

節(jié)點(diǎn)板左邊緣和下邊緣采用固接邊界，開孔處沿軸向施加荷載，如圖9所示。有限元分析時(shí)為獲得荷載－位移曲線的下降段，采用位移加載模式。

圖9 邊界條件與加載Fig．9 Boundary conditions and loading

3．2 初始缺陷的引入

實(shí)際工程中，加工過程不可避免會(huì)造成節(jié)點(diǎn)板的微小變形，使得節(jié)點(diǎn)板不能達(dá)到理想的平整板。因此，有限元分析時(shí)需考慮節(jié)點(diǎn)板的不平整，這對(duì)節(jié)點(diǎn)板的受壓極限荷載和受壓屈曲行為有不可忽視的影響。

首先對(duì)建立的節(jié)點(diǎn)板有限元模型進(jìn)行失穩(wěn)模態(tài)分析(前10階模態(tài))，查看其失穩(wěn)模態(tài)，前三階失穩(wěn)模態(tài)見圖10。然后在有限元模型中，以最不利第一階失穩(wěn)模態(tài)為參考，考慮幅值為0．5 mm的初始不平整作為幾何初始缺陷。

3．3 分析結(jié)果

有限元分析考慮材料非線性和幾何非線性，獲得節(jié)點(diǎn)板的在軸向受壓下的荷載－位移曲線，如圖11所示。

圖10 節(jié)點(diǎn)板失穩(wěn)模態(tài)Fig．10 Buckling of connection plate

圖11 節(jié)點(diǎn)板荷載位移關(guān)系曲線Fig．11 Force-displacement relationship of the connection plate

由圖11可以看出，兩種節(jié)點(diǎn)板都呈現(xiàn)極限失穩(wěn)的特征。40 mm厚節(jié)點(diǎn)板的的穩(wěn)定極限承載力為4 813 kN，50 mm厚節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定極限極限承載力為6 973 kN。50 mm節(jié)點(diǎn)板的承載力約為40 mm厚節(jié)點(diǎn)板承載力的1．4倍。

從圖11還可看出，節(jié)點(diǎn)板初始受壓時(shí)荷載－位移曲線保持線性，說明節(jié)點(diǎn)板處于彈性狀態(tài)。隨著軸壓力增大，節(jié)點(diǎn)板開孔部分應(yīng)力集中，小部分進(jìn)入塑性。軸力壓力持續(xù)增大，節(jié)點(diǎn)板銷軸下部更多受壓區(qū)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)板達(dá)到極限荷載時(shí)，其平面外變形仍不顯著，而局部失穩(wěn)發(fā)生后，其平面外變形立即迅速增長(zhǎng)，抗壓承載力退化顯著，最終喪失承載能力。以50 mm節(jié)點(diǎn)板為例，圖12分別給出其屈服前、屈服時(shí)、屈服后、達(dá)到極限荷載時(shí)和失穩(wěn)后的應(yīng)力云圖和變形情況。

圖12 厚50 mm節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖與變形情況Fig．12 Strain and deformation contour of a 50 mm connection plate

4 銷軸安裝工藝

銷軸連接整體美觀、符合力學(xué)假設(shè)，但是屈曲約束支撐作為位移型阻尼器，其屈服位移為1～8 mm，傳統(tǒng)的銷軸連接技術(shù)中銷軸比孔徑小2 mm，即精度為2 mm，這將使得屈曲約束支撐在2 mm的變形量?jī)?nèi)無法發(fā)揮其耗能作用，從而嚴(yán)重影響到建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此銷軸連接時(shí)應(yīng)采取以下措施:

(1)材料上，與支撐相連接的連接板從普通Q345鋼改為使用低合金高強(qiáng)度鋼(主要為Q390/Q420)，增加安全性，并且降低了連接板的厚度。

(2)精度上，連接板需要與支撐耳板配套加工，見圖13，全部由屈曲約束支撐生產(chǎn)單位加工，銷軸插入耳孔后的活動(dòng)間隙由原來的2～2．2 mm提升至0．3～0．5 mm，精度提升了5～6倍，使得構(gòu)件受力性能得到提升并符合力學(xué)假設(shè)。

(3)與主體結(jié)構(gòu)連接上，主體結(jié)構(gòu)梁柱在屈曲約束部位都伸出一塊接頭板，如圖14所示，然后與屈曲約束支撐節(jié)點(diǎn)板焊接，如圖15所示。

圖13 連接板與屈曲約束支撐耳板配套加工Fig．13 Connection plate and BRB joint plate manufacture

圖14 主體梁柱部位伸出接頭板Fig．14 Connection plates at the joints of beams and columns

圖15 接頭板與屈曲約束支撐節(jié)點(diǎn)板焊接Fig．15 Welding between connection plates and BRBs

5 結(jié)語

兩端銷軸連接型屈曲約束支撐是一種新型的結(jié)構(gòu)減震構(gòu)件，其設(shè)計(jì)方法和安裝工藝有特殊性，本文給出了設(shè)計(jì)及施工方法，并通過非線性分析驗(yàn)證了其極限承載力。有限元分析結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)承載力變化呈現(xiàn)非線性特征，達(dá)到極限穩(wěn)定承載力后，不宜繼續(xù)承載。在安裝兩端銷軸連接型屈曲約束支撐時(shí)候，應(yīng)充分考慮銷軸安裝精度問題，采用適當(dāng)?shù)墓に嚒?/p>

圖16為甘肅科技館項(xiàng)目工程附圖。

圖16 工程附圖Fig．16 Practical engineering cases

［1］ Iwata M，Murai M．Buckling-restrained brace using steel mortar planks:performance evaluation as a hysteretic damper［J］．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2006，35(14):1807-1826．

［2］ Iwata M，Kato T，Wada A．Buckling restrained braces as hysteretic dampers［C］．Proceedings，STESSA，Quebec，Canada，2000:33-38．

［3］ 楊昌民，牧野俊雄，李宏男．防屈曲支撐的研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用［J］．建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28(4):75-85．Yang Changmin，Makino Toshio，Li Hongnan．Development and application of buckling restrained braces［J］．Architecture and Engineering，2011，28(4):75-85．(in Chinese)

［4］ 王華琪，丁潔民，何志軍．防屈曲支撐的應(yīng)用與設(shè)計(jì)［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(4):6-11．Wang Huaqi，Ding Jiemin，He Zhijun．The application and design of buckling-restrained braces［J］．Structures Engineers，2007，23(4):6-11．(in Chinese)

［5］ Kim J，Seo Y．Seismic design of steel structures with buckling-restrained knee braces［J］．Journal of Constructional Steel Research，2003，59:1477-1497．

［6］ Jinkoo Kim，Youngill Seo．Seismic design of low-rise steel frames with buckling-restrained braces［J］．Engineering Structures，2004，26:543-551．

［7］ 郭彥林，王小安，江磊鑫．裝配式防屈曲支撐構(gòu)件及框架設(shè)計(jì)理論［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(6):165-176．Guo Yanlin，Wang Xiaoan，Jiang Leixin．Design theory of assembled buckling-restrained braces and buckling-restrained braced frames［J］．Structures Engineers，2010，26(6):165-176．(in Chinese)

［8］ 徐柯，田立強(qiáng)．ABAQUS建筑結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013．Xu Ke，Tian Liqiang．The Application of ABAQUS in analysis of structures［M］．Beijing:China Architecture and Building Press，2013．(in Chinese)