屈曲约束支撑体系的应用与分析

夏明亮

摘 要:屈曲约束支撑体系在现实中的应用范围十分广泛,它有效地克服了传统支撑框架的一些不足之处,在承载力、延性与滞回性等方面都有很大的提高。本文主要论述了屈曲约束支撑体系的基本原理和实际应用情况。

关键词:屈曲约束支撑基本原理实际应用

中图分类号:TU352 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0058-01

屈曲约束支撑体系是为了解决普通支撑框架受压屈曲导致滞回性能差的问题而设计的,与传统的支撑体系相比,具有承载能力强、延性与滞回性能比较好的优点,可以在大震时对主体结构起到很强的保护作用。

1屈曲约束支撑体系的基本原理

屈曲约束支撑体系是一种新型的钢结构耗能支撑,整个体系的中心在于芯材,它一般是用屈服点比较低的钢材料铸造而成的,这种结构在轴向力的作用下能够产生很大的塑性变形,从而达到耗能的效果,同时为了不让芯材在受压的时候整体都变得弯曲,芯材就被放置在一个特制的钢管套中,并将混凝土和砂浆灌注于钢管套中,起到定形和加固作用,这就能够使芯材在受拉和受压的时候都可以达到一定的屈曲程度。在灌注砂浆或混凝土的时候,通常会在芯材和砂浆之间设置一层无粘结性的材料,或者空留出一层比较狭小的空气层,这是为了有效降低芯材受轴力时传给砂浆或者混凝土的力,当然,尽量消除这个传力能更有效地提高支撑的承载力,使得整个支撑结构在受到重压的时候也能达到完全的屈服,受压承载力和受拉承载力保持相当的数值,很好地克服了传统的支撑结构受压屈曲的不足之处,提高了支撑体系的承载能力,支撑的滞回曲线达到饱满的状态,抗震性能明显增强。

屈曲约束支撑构架的横截面具有多种类型,包括平板形、十字形、工字形、圆管形、方管形,有些类型的芯材与钢管套之间没有灌注混凝土或者是砂浆,这是根据芯材的架构方式和钢管套的形状而定的,芯材和钢管套的组合具有天然稳定性的就可以将二者的自然缝隙作为空气层,不用另外加固。

一般的屈曲约束支撑体系可分为约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段、无粘结可膨胀材料、屈曲约束机构五个部分。每一部分的作用和性能各有所侧重,所使用的材料也有所不同,达到的支撑效果也相异,但五个部分有机组合才能使屈曲约束支撑体系的功能发挥到最大。具体来说,约束屈服段通常要使用延性比较好的钢材,具有中等屈服强度,也可以使用高强度的低合金钢材,以达到此段在反复荷载作用力的压迫下所要求的标准强度值。

约束非屈服段一般是约束屈服段的延伸部分,被钢管套和砂浆所包围,为了让它在弹性状态下正常工作,就必须另外增加构件的截面积,可以用增加截面的宽度来实现,或者通过焊接加劲肋来达到预期目的。无约束非屈服段的特点是穿出钢管套和砂浆,直接与框架相连接。它属于约束非屈服段的部分延伸段。在现场进行安装的时候,通常使用螺栓进行连接,有时也用焊接的方式来连接,各有所长,依据实际情况的需要而定。无粘结可膨胀材料的作用是能充分降低甚至可以消除支撑体系芯材受约束段和砂浆之间的剪力,经常选用的材料包括橡胶、硅胶、乳胶、聚乙烯额等等,它们都具有无粘结性和很强的弹性,可以起到有效缓冲压力的效果。屈曲约束支撑体系的套管作用很大,这也是它与传统支撑体系的最大不同点。支撑钢管套的工作原理也非常简单,容易理解,操作方面。支撑体系的芯材一般不和钢管套发生接触,所有荷载力都施加在芯材上面,芯材由于荷载力的作用便会发生弯曲变形,同时会给钢管套的内壁带来挤压力,造成钢管套的屈曲,产生弯曲应力。倘若弯曲应力小于材料的屈服强度,就使得芯材达到很高的应力水平,大大超出芯材材料的屈服强度,从而实现钢管套对芯材的保护功能,提高支撑框架的承受能力。同时要注意的问题是使用的钢管套必须具有足够的刚度和强度,否则就会在受压力的情况下发生局部的鼓曲。

屈曲约束支撑体系的特殊结构和技术原理使得它具备普通支撑框架和抗弯刚框架所没有的优势,所以在实际应用中的范围十分广阔,尤其在高层和超高层建筑中的应用效果更佳。

2屈曲约束支撑体系的实际应用

屈曲约束支撑体系在实际应用中有其它框架无可比拟的优势。主要表现在一是在遇到小震的时候,屈曲约束支撑框架明显比抗弯刚框架的弹性刚度要高出很多,容易达到规范的变形要求。二是在遇到强震的时候,屈曲约束支撑框架相较传统中心支撑框架具有更强和更稳定的能量耗散能力,这关键在于屈曲约束支撑具有受拉和受压屈服性。另外在抗震加固中,屈曲约束支撑体系的地基费用也比传统的支撑体系框架便宜很多。同时,屈曲约束支撑体系的钢材总用量也比其它框架结构的用量低很多,非常经济便捷。三是在安装方面,屈曲约束支撑体系是用螺栓连接到节点板上的,省去了现场焊接和检测的步骤,容易操作,方便实用。四是屈曲约束支撑在遇到大震遭受严重损坏后,支撑构件可以进行更换。同时由于支撑的刚度和强度非常容易调整,这就使得屈曲约束支撑框架的设计比较灵活,且种类比较齐全。

随着建筑物的层数越来越多,人们对建筑物的抗震性能的要求也愈来愈高,屈曲约束支撑体系不仅能够达到建筑物所要求的抗震系数,还能降低震后的维修费用,这有赖于它独特的设计方法。一般的支撑框架结构在强烈地震中,支撑体系和梁、柱结构都会受到严重破坏,而且无法修复,建筑物只能报废。但是屈曲约束支撑体系却能够在强烈地震中进入塑性进行耗能,另外的主体结构或是保持弹性状态或是也进入塑性耗能,所以屈曲约束框架的整体变形量比其它的框架结构要低很多,震后的建筑物还可以进行再利用,只要取下损坏了的屈曲约束支撑更换新的即可。

屈曲约束支撑体系的优越性能显而易见,尤其是抗震结构构件的性能颇受青睐。但是现阶段,国内外都没有统一的屈曲约束支撑体系的标准,一般都是根据建筑本身的要求的而定的,通常采用建筑企业的行内标准。我国在这方面也借鉴了很多外国的先进研究成果,但是想要取得长远的发展效益就必须开发研制适合我国建筑实际需求的屈曲约束支撑体系理论和实际应用技术。我国使用的屈曲约束支撑很多是从日本和美国进口的,价格比较昂贵,很难在市场上得到普及。目前,我国研制出一种符合我国钢材生产能力屈曲约束支撑的芯材材料,称为TJI型,具有的特点包括一是材料都是国产的,降低了成本费用和运输费用,二是不再通过添加材料来提高稳定性,而是通过钢管内的加劲肋结构来给支撑芯板提供足够稳定的约束作用,同样具有稳定的滞回性能。

3结语

综上所述,经过研究和实践的证明,屈曲约束支撑体系的确是一种非常高效的耗能构件,同时具备良好的延性与滞回性能以及强大的承载力,广泛应用于建筑结构中。在关注屈曲约束支撑的优点的同时,也不能忽略了它依然存在很多理论方面的不足之处,进一步完善其理论体系和设计方法是一项长久课题。

参考文献

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