兩端銷軸型屈曲約束支撐連接節點分析與安裝技術研究

王 軼

(上海寶冶集團有限公司，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)以及套筒內無黏結材料組成(圖1)。芯板位于中部，用來承受結構產生的軸向荷載，是屈曲約束支撐的最主要受力構件，要求其在拉壓荷載作用下反復屈服，因此需用延性好、屈服強度穩定的鋼材制成，芯材被置于一個鋼套管(steel tube)內，然后在套管內灌注填充材料。在芯材和砂漿之間設有一層無黏結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產生整體或局部屈曲，因而屈曲約束支撐在受拉和受壓時都發生屈服而不失穩，且屈服受力時穩定性能好，在強震時具有很強的耗能能力。屈曲約束支撐起源于美國，在20世紀70～90年代發展于日本。屈曲約束支撐在日本應用較多，隨著我國抗震意識的提高，我國大陸地區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開始使用［3］。

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

對于設有屈曲約束支撐的結構，在小震作用下，主體結構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譜法進行計算，屈曲約束支撐按照剛度相等的原則進行建模分析，并控制其強度和變形在屈服范圍之內，即按照“小震等效剛度設計法”進行設計。在大震作用下，主體結構和屈曲約束支撐兩者都進入彈塑性階段時，使用非線性分析方法進行計算，屈曲約束支撐結構的分析模型根據實測滯回曲線得到雙線性骨架曲線進行模擬，并復核其最大變形在產品的極限變形能力之內，即按照“大震變形控制設計法”進行設計。BRB(屈曲約束支撐)在彈塑性階段工作時，變形能力強、滯回性能好(圖2)，就如同一個性能優良的耗能阻尼器，可以全面提高結構在地震下的抗震性能。其設計理念如下:強節弱桿，使節點的失穩荷載Pcr或設計承載力高于中間芯板的極限承載力，則在芯板損壞之前，支撐不會發生破壞［7］。

圖2 BRB與普通支撐滯回性能對比Fig．2 Comparison between BRB and regular braces

銷軸安裝的主要問題在于傳統的銷軸連接技術中銷軸比孔徑小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件的耗能能力大打折扣，同時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，一種為兩側增加加勁肋，雖然保證了節點板不會失穩，但往往給支撐的安裝帶來麻煩;另一種是不增加加勁肋，雖然經過常規計算能夠滿足不失穩，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，由于支撐的長度大于安裝節點之間的空隙長度，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場與主體梁柱焊接。為解決上述問題，結合甘肅科技館項目，本文進行了一些有益的探討。

“甘肅科技館項目”的結構體系為“鋼梁－鋼管砼柱混合框架－屈曲約束支撐”混合結構，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。由于蘭州地區屬于高烈度地震區，本文對選擇合適的支撐，進行力學計算，保證支撐和結構實現預期的性能進行相關的研究和計算。

2 連接銷軸的設計方法

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點［4］。屈曲約束支撐能夠吸收大量的地震能量，延緩關鍵和主要構件的屈服破壞的時間，減輕主體結構的損傷，提高結構在大震的安全度。屈曲約束支撐與主體結構的連接形式多種多樣，主要有焊接連接、高強螺栓連接及銷軸連接［5－6］。其中，焊接連接傳力直接、安裝簡單;銷軸連接雖然安裝較為復雜，然而由于其釋放了轉動約束，傳力更為簡單，而且其形式簡潔大方，更適合用于支撐外露的情況。

為保證銷軸的承載力滿足設計要求，應保證連接的承載力大于屈曲約束支撐承載力。設計內容應包括焊縫的設計、銷軸孔設計、連接板強度驗算、連接板穩定驗算。

2．1 焊縫設計方法

焊縫Lw1的長度如圖3所示。

應按下列公式進行受拉、受壓以及受剪的計算。

按照受拉計算應遵循式(1):

按照受壓計算應遵循式(2):

按照受剪計算應遵循式(3):

當考慮復合受力狀態時，應需滿足式(4)的應力要求:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

fc

w——連接板鋼材抗壓強度設計值(N/mm2);

ft

w——連接板鋼材抗拉強度設計值(N/mm2);

fv

w——連接板鋼材抗剪強度設計值(N/mm2);

t——連接板厚度(mm)。

Lw2的計算方法同上。

2．2 銷軸孔設計方法

銷軸應按下列公式進行承壓、抗剪強度的計算，計算簡圖如圖4所示。

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

銷軸承壓強度應按照式(5)進行計算:

銷軸抗剪強度應按照式(6)進行計算:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

t——耳板厚度(mm);

nv——受剪面數目。

2．3 連接板強度驗算

連接板如圖5所示，應按下列公式進行抗拉、抗剪強度計算。

圖5 銷軸連接板Fig．5 Pin-connection plate

連接板凈截面處的抗拉強度應按照式(7)、式(8)進行計算:

連接板端部截面抗拉(劈開)強度應按照式(9)進行計算:

連接板抗剪強度應按照式(10)、式(11)進行計算:

式中 N——屈曲約束支撐極限承載力(10 kN);

b1——計算寬度(mm);

d0——銷軸孔徑(mm);

f——連接板抗拉強度設計值(N/mm2);

Z——連接板端部抗剪截面寬度(mm);

fv——連 接 板 鋼 材 抗 剪 強 度 設 計值(N/mm2)。

3 銷軸連接板穩定驗算

銷軸連接板除按照上述方法進行設計外，對不增加加勁肋的形式還應進行非線性穩定分析，本文選取某實際工程的連接節點，采用ABAQUS建立有限元模型［8］，進行非線性分析。

3．1 模型建立

模型幾何尺寸如圖6所示，節點板厚度有40 mm和50 mm兩種，分別建模分析。

圖6 節點板尺寸(單位:mm)Fig．6 Details of connection plates(Unit:mm)

節點板采用Q345GJ鋼材。如圖7所示，鋼材的應力應變關系曲線采用試驗測試結果，并轉換為真實應力－應變關系。

圖7 鋼材應力－應變關系Fig．7 Constitutive relationship of steel

采用ABAQUS中S4R殼單元對節點板進行網格劃分，見圖8。

圖8 節點板網格劃分Fig．8 Mesh of connection plate

節點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

實際工程中，加工過程不可避免會造成節點板的微小變形，使得節點板不能達到理想的平整板。因此，有限元分析時需考慮節點板的不平整，這對節點板的受壓極限荷載和受壓屈曲行為有不可忽視的影響。

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

3．3 分析結果

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

圖10 節點板失穩模態Fig．10 Buckling of connection plate

圖11 節點板荷載位移關系曲線Fig．11 Force-displacement relationship of the connection plate

由圖11可以看出，兩種節點板都呈現極限失穩的特征。40 mm厚節點板的的穩定極限承載力為4 813 kN，50 mm厚節點板的穩定極限極限承載力為6 973 kN。50 mm節點板的承載力約為40 mm厚節點板承載力的1．4倍。

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

圖12 厚50 mm節點板應力云圖與變形情況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、符合力學假設，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，傳統的銷軸連接技術中銷軸比孔徑小2 mm，即精度為2 mm，這將使得屈曲約束支撐在2 mm的變形量內無法發揮其耗能作用，從而嚴重影響到建筑結構的抗震性能。因此銷軸連接時應采取以下措施:

(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單位加工，銷軸插入耳孔后的活動間隙由原來的2～2．2 mm提升至0．3～0．5 mm，精度提升了5～6倍，使得構件受力性能得到提升并符合力學假設。

(3)與主體結構連接上，主體結構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點板焊接，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點板焊接Fig．15 Welding between connection plates and BRBs

5 結語

兩端銷軸連接型屈曲約束支撐是一種新型的結構減震構件，其設計方法和安裝工藝有特殊性，本文給出了設計及施工方法，并通過非線性分析驗證了其極限承載力。有限元分析結果表明，節點承載力變化呈現非線性特征，達到極限穩定承載力后，不宜繼續承載。在安裝兩端銷軸連接型屈曲約束支撐時候，應充分考慮銷軸安裝精度問題，采用適當的工藝。

圖16為甘肅科技館項目工程附圖。

圖16 工程附圖Fig．16 Practical engineering cases

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