屈曲約束支撐在不規則混凝土結構設計中的應用

摘要：最近幾年，我國的城市化建設的速度和規模都有了明顯得到提升，建筑工程的數目和種類也有了一定的變化，一些建筑工程中有一些特殊性的功能要求，有些建筑當中必須要使用不規則的混凝土形式，為了能夠更好的保證結構自身的穩定性和安全性，通常要將屈曲約束支撐使用在混凝土結構的設計當中，本文主要分析了屈曲約束支撐在不規則混凝土結構設計中的應用，以供參考和借鑒。

關鍵詞：屈曲約束支撐;結構設計;鋼混框架結構;抗震性

在不規則混凝土建筑中，其自身的穩定性和安全性是設計和施工人員需要關心和關注的重點，在結構設計的過程中，為了可以讓整個結構擁有更高的穩定性和安全性，通常在設計和施工的過程中要將屈曲約束支撐應用其中，這樣不僅可以促進施工的順利進行，同時還會在這一過程中保證施工的安全，結構自身的穩定性也會在這一過程中得到保障。

一、屈曲約束支撐概述

（一）約束屈服段

因為結構自身的特征，所以屈曲約束支撐可以在荷載反復的作用下形成屈服的狀態，因此，在這一部分的設計過程中需要使用一些具有良好延展性的鋼材。而當結構本身并沒有特殊要求的時候，就可以選擇一些強度比較高的合金鋼，當然所選擇的鋼材必須能夠保證結構整體的穩定性，這樣才能使得屈曲約束支撐可以充分的發揮其積極的作用，保證支撐自身的可靠性和安全性。

（二）非屈服段

在這一部分的設計和建設中通常都是放置在套管和砂漿內部的，所以從某種意義上說，它就是約束屈服段的一種特殊的形式。為了能夠有效的保證該部分可以始終處在彈性的工作狀態當中，需要對構件的截面面積進行適當的增加。在實際的操作中也可以通過增加約束屈服段截面的面積或者是采用焊接加勁的方式實現相同的目的和效果。

（三）無約束屈服段

在這一部分的設計中，其實際上是對非屈服段進行延伸和處理，在設計的過程中會穿到套管和砂漿的外側，同時還要和鋼混框架結構形成有效的連接，為了能夠給現場的施工提供更大的便利，通常在連接方式上采用的都是螺栓連接的方式。如果在施工中存在著一定的特殊要求，在相關規定允許的情況下也可以采取焊接的方式對其進行連接處理。

（四）無粘結可膨脹材料

因為結構在運轉的過程中會受到約束機制的作用，所以在高階模態的條件下，約束屈服段就有可能會出現一些比較細微的屈曲狀態，同時產生屈曲的構件自身也需要有非常充足的空間在芯片受到了一定壓力的時候產生細微的膨脹。為了達到這一目的，填充的材料之間應該預留一定的空間，這樣就可以使得填充材料可以進一步的減芯材在約束端的剪應力，所以在設計的過程中，橡膠和乳膠等填充材料也就成為了最佳的選擇。

二、屈曲約束支撐在不規則混凝土結構設計中的具體應用

（一）設計要求

在按照相關的設計標準和要求以及實驗結果給出的參考數據的基礎之上，在設計的過程中要從材料、構件和結構這三個方面來進行適當的調整，從而使得整個設計過程可以充分的滿足結構設計的規定和要求。其中支撐核心鋼材性能要求主要是：屈曲約束支撐當中最為重要的一點就是要充分的體現出鋼材自身的延展性，同時其還要滿足屈曲約束支撐在性能方面的具體要求，而并不是一味的去使用低屈服的點鋼，通常情況下，在設計的過程中，我們所采用的核心鋼材必須要有以下幾個特征。首先材料自身的屈服比必須要在1.2以上。其次是伸長率，其伸長率必須要在25%以上。最后一點就是材料的沖擊韌性必須要可以保證在0℃的條件下依然可以吸收27焦耳的能量要求，只有材料能夠同時滿足這些要求，才能實現良好的設計效果。

（二）設計原則

就不規則混凝土框架結構而言，為了確保其結構的穩定性，并具備良好的抗震性能，最基本的要求是應當在地震發生時，結構在地震波的作用下，有足夠的強度作為保障，并且還要有一定的變形能力。而對于節點來講，則要求其具有較高的強度安全系數，尤其是不規則的鋼混框架結構，對節點強度的安全系數要求更高。為此，在對節點進行設計時，應遵循以下原則：其一，節點的強度應大于等于與之相連接構件的強度;其二，結構受到中等地震作用時，節點應當處于彈性范圍內工作;其三，當發生強震時，節點強度的降低幅度不得超出柱子的極限承載力;其四，節點配筋的布置應盡可能簡單、方便，否則會增大施工難度。

（三）設計步驟

現階段，雖然我國在屈曲約束支撐與鋼混框架結構連接設計方面的研究已經日趨成熟，但是隨著建筑結構的不斷發展，不規則混凝土框架結構日益增多，而將屈曲約束支撐應用于該結構設計當中的研究相對較少，尤其是對節點構造方面的研究更是少之又少。為了能夠使屈曲約束支撐在不規則混凝土框架結構設計中獲得推廣應用，故此本文將研究的重點放在節點設計上。本文提出的連接方式與鋼結構框架中連接支撐系統的梁柱節點類型相近似。主要的區別是在混凝土框架結構當中，節點板一般都是借助預埋件和錨栓與混凝土構件進行可靠連接的，為此，對于屈曲約束支撐鋼混框架結構的梁柱節點，可利用現行的鋼結構設計規范為依據進行設計。此外，在設計過程中需要重點考慮的是節點與節點各個組成部分，它們不僅需要承受屈曲約束支撐的屈服荷載，并且還必須能夠承受支撐的極限荷載，只有這樣才能進一步確保支撐體系在地震作用下的延性。具體設計過程如下：

1、屈曲約束支撐設計。

上式中 表示屈曲約束支撐的層間剛度; ，其中 分別代表鋼芯工作段及非工作段的橫斷截面積;k的取值為0.7-0.9（該取值是扣除構件及節點板所占尺寸的長度系數）;x表示工作段長度系數，可取0.3-0.6;H是結構的層高;E代表鋼芯材料的彈性模量。根據抗剪配筋驗算結果可知符合設計要求。

2、支撐節點設計。這部分是本設計中最為重要的部分之一，共分為以下三個環節：①連接段設計。為了進一步確保鋼芯屈服能夠在工作段范圍之內，就必須保證在任何條件下非工作段都應當處在彈性工作狀態下。為此，在實際設計中，應當充分考慮支撐壓拉強度比、屈服強度比值以及鋼芯材料的抗拉強度等因素對鋼芯承載力的影響，以此來確保連接段的承載力符合設計要求;②節點板與支撐連接的焊縫設計。在沒有特殊要求的前提下，節點板與支撐連接可直接采用高強度的螺栓進行可靠連接，若有特殊需要則應采用焊縫連接;③確定節點板的尺寸。節點板的平面尺寸可以在參考一般構造規定的基礎上，根據與節點板相連的預埋件和支撐連接段的焊縫長度、焊腳尺寸進行畫出。在這其中，保證支撐與梁柱的邊緣之間擁有足夠的距離，以此避免因焊縫密集程度高而出現節點板過熱現象，進而導致節點板脆化。支撐連接段端部到節點板嵌固點在支撐桿件方向的距離必須大于板厚度的2倍。

三、結語

總而言之，隨著建筑工程的不斷增多，不規則混凝土框架結構也必然會隨之增多，為了確保此類結構的穩定性和抗震性，應當在結構設計過程中合理應用屈曲約束支撐。通過本文的研究可知，在整個設計過程中，節點設計是最為重要的環節之一。為此，在應用屈曲約束支撐進行設計時應將節點設計作為重點環節，這樣有利于確保結構的整體穩定性和抗震性。

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