防屈曲支撑的超强系数

毛玉坤 曲 哲

(1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

防屈曲支撑的超强系数

毛玉坤1曲 哲2

(1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

介绍了各国规范中关于防屈曲支撑连接节点的抗震设计条文，对与防屈曲支撑承载力超强相关的参数包括应变硬化系数和压拉不等强系数作了研究，指出美国提出了这两种系数，但并未给出具体的取值，我国的相关规定与美国类似，日本没有区别应变硬化系数和压拉不等强系数，而是以一个综合的调整系数加以考虑。

防屈曲支撑，超强系数，连接节点设计

防屈曲支撑(BRB)具有饱满而稳定的滞回耗能特性，是性能可靠的消能减震构件，广泛应用于减震结构。防屈曲支撑框架的设计中，BRB连接节点起到连接BRB和主体结构的作用，是受力比较集中的地方，同时也是保障结构抗震性能的关键部位。各国规范往往要求即使BRB达到极限承载力，其连接节点也要保持弹性。因此，正确地确定BRB连接节点的承载力需求是其抗震设计的关键。BRB本身受力状态明确且滞回性能稳定，这为连接节点承载力需求的确定提供了便利。尽管如此，BRB可能传递给连接节点的力往往远大于其名义屈服承载力。BRB芯材在经历较大的塑性变形后会有比较明显的应变硬化现象，导致其承载力提高；BRB受压时芯材与约束单元之间的摩擦等作用还会进一步使BRB承载力提高。这些都会反过来对连接节点提出更高的承载力需求。由应变硬化引起的BRB承载力超强与钢材种类有关，且随塑性应变或累积塑性应变而变化。而受压承载力高于受拉承载力的程度则主要取决于BRB芯材与约束单元之间无粘结层的设计水平与施工质量。本文介绍各国抗震规范中对BRB连接节点抗震设计的有关规定，重点介绍确定连接节点抗震承载力时对BRB超强的考虑，为工程设计提供参考。

1 美国防屈曲支撑连接节点的相关设计规定

根据美国钢结构学会出版ANSI/AISC 341-10钢结构抗震设计规程的要求，BRB连接节点的承载力Pyj应不小于1.1倍的BRB调整后的受压承载力Pac，即Pyj≥1.1Pac，其中，Pac可按式(1)计算。

Pac=βωRyPy

(1)

其中，Pac为BRB调整后的受压承载力；β为受压承载力调整系数，反映BRB拉压不等强的特性；ω为考虑芯材应变硬化的系数；Ry为考虑芯材钢材的实际屈服强度与名义屈服强度之间偏差的系数，对于美国常用的板材与型材，取值在1.1～1.3之间；Py=FyAs为防屈曲支撑的名义承载力，Fy为芯材钢材的名义屈服强度，As为芯材截面积。系数β与ω的取值尚没有统一的标准，而需要通过BRB的抽样检测试验加以确定。AISC 341进一步要求试验得到的β不得超过1.3。但对ω没有相应的上限要求。此外，AISC 341要求检测试验中BRB的最小轴向变形不小于结构设计层间位移角对应的BRB轴向变形的2倍，且累积塑性变形不小于BRB屈服变形的200倍。系数β与ω的取值也正是在这样的塑性变形条件下获得的。

2 日本防屈曲支撑连接节点的相关设计规定

日本建筑学会《钢结构连接设计指南》要求BRB的连接节点在BRB破坏之前始终保持弹性，并按式(2)计算连接部位的设计屈服承载力。

Pyj=αPy

(2)

其中，α为连接节点调整系数，它综合反映了BRB芯材钢材的应变硬化，芯材和连接节点钢材材料强度的离散性等因素的影响。

记钢材屈服强度的均值和方差分别为m(σy)和s(σy)，受拉强度的均值和方差分别为m(σu)和s(σu)，钢材发生一定程度的应变硬化后其的强度平均值为ξ·m(σy)，ξ为硬化系数；并假设此时的强度方差s(ξσy)可按照在s(σy)与s(σu)之间进行线性插值来计算，如式(3)，式(4)所示。

s(ξσy)=s(σy)[1+(ξ-1)b]

(3)

(4)

在BRB连接节点的设计中，考虑BRB芯材发生一定程度的应变硬化后的钢材强度平均值即为mb(ξσy)，方差为sb(ξσy)。而连接部位自身的强度的平均值和方差分别记为mj(σy)和sj(σy)。假设二者是独立的随机变量，且均服从对数正态分布，可得到使式(2)具有85.3%保证率的α值如式(5)所示。

(5)

其中，Fby，Fjy分别为BRB芯材和连接节点钢材的名义屈服强度。可见，α是硬化系数ξ的函数，同时还取决于芯材和连接节点钢材屈服强度的离散性。进一步分析表明，α可以近似为关于硬化系数ξ的线性函数，如式(6)所示。

α=gξ+h

(6)

其中，g，h均为线性回归参数，与芯材、连接节点的钢材种类有关。文献[2]在条文说明给出了日本常用的各种结构钢材的这两个系数。给定芯材的硬化系数ξ，即可根据式(6)计算相应的连接部位调整系数α。若将钢材应力—应变曲线简化为双线形模型，硬化系数ξ则可以进一步表示如式(7)所示。

(7)

其中，εa，εy分别为芯材的最大应变和名义屈服应变；k为屈服后刚度与初始刚度之比，对于日本SN B系列结构用钢，k=0.03；对于强屈比较小的低屈服点钢LY225，k=0.02；对于强屈比较小的低屈服点钢LY100，k=0.06。

在确定连接节点调整系数α时取εa=0.015。这样，对于SN400B和SN490B两种钢材，名义屈服强度分别为235 MPa和325 MPa，屈服应变分别为0.001 15和0.001 58，则根据式(7)可得对应于εa=0.015的硬化系数ξ分别为1.36和1.25。表1给出了连接节点调整系数α的取值。可见，用于连接节点承载力设计的调整系数α往往均大于芯材的硬化系数β，这反映了芯材和连接节点材料强度离散性的影响。表中同时考虑了两种连接节点失效形式。一种为连接节点钢材屈服；另一种为摩擦型高强螺栓发生滑动。值得注意的是，虽然摩擦型高强螺栓的实际承载力平均值与名义承载力之比相对较高(相当于式(5)中的mj(σy))，但由于实际承载力的离散性较大，体现为较大的方差(相当于式(5)中的sj(σy))，导致相应的连接节点调整系数仍较大。

3 我国防屈曲支撑连接节点的相关设计规定

我国现行抗震规范要求BRB连接节点在弹性范围内工作，但对连接节点的设计没有相应的具体规定。正在编制的《屈曲约束支撑应用技术规程(征求意见稿)》对此作了更为详细的规定，要求连接节点在1.2倍的BRB设计轴力作用下保持弹性，具体如式(8)，式(9)所示。

Pjt≥1.2ωPay

(8)

Pjc≥1.2ωβPay

(9)

其中，Pjt，Pjc分别为连接节点的受拉和受压承载力设计值；与美国AISC 341类似；β，ω分别为受压承载力调整系数和考虑芯材应变硬化的调整系数；Pay为BRB的设计屈服轴力，相当于美国AISC 341中的RyPy，对于Q235钢Ry=1.25。

表1 BRB连接节点调整系数

与美国AISC 341类似，系数β与ω的取值也需要通过试验确定，并要求β不得超过1.3。不同的是，规定在1.2倍的BRB罕遇地震最大位移下确定β与ω的取值。

4 结语

本文整理总结了国内外关于防屈曲支撑超强系数方面的规定。在与防屈曲支撑相关的设计中，防屈曲支撑的连接部位总要求保持弹性，即只需对其承载力进行验算。在这一验算中，防屈曲支撑的超强系数是需要慎重选取的参数。

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

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

[3] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] 中国工程建设协会标准.屈曲约束支撑应用技术规程(征求意见稿)[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，硕士，工程师； 曲 哲(1983- )，男，副研究员

TU352

A