屈曲约束支撑设计的刚度与强度.pdf

2009年01月沈阳建筑大学学报(自然科学版)Jan.2009
第25卷第1期JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)Vol.25,No.1

文章编号:1671-2021(2009)01-0095-05

屈曲约束支撑设计的刚度与强度准则

谢强1,严承涌1,赵亮2

(1.同济大学建筑工程系,上海200092;2.中冶集团建筑研究总院深圳分院,广东深圳518054)

摘要:目的为了达到屈曲约束支撑设计时的安全性和经济性,屈曲约束单元需要同时满足
刚度和强度条件.方法采用弹性稳定理论,对带有侧向约束的理想轴心压杆和带有初始变形
的屈曲约束支撑进行了分析.结果有侧向约束的理想轴心压杆的弹性屈曲荷载由轴心压杆与
侧向约束单元屈曲荷载的和叠加而成.给出了在不同初始变形下进行屈曲约束支撑设计时,屈
曲约束单元应该同时满足的刚度条件和强度条件.结论给出的屈曲约束支撑设计的强度和刚
度条件的表达式可用以校核屈曲约束支撑设计的合理性.

关键词:屈曲;屈曲约束支撑;设计准则;刚度;强度

中图分类号:TU352.1文献标志码:A

0引言1主要形式及分类

在抗震钢结构中,支撑作为一种抗侧力构件屈曲约束支撑一般由以下4个基本部分组
可以提供很大的侧向刚度,因此,得到了广泛的应成:轴力构件单元(支撑);屈曲约束单元;连接单
用.但普通的钢支撑经常会发生受压屈曲,从而降元和隔离单元[6-7].以屈曲约束单元的外形可以
低了钢结构的延性和耗能性能,不利于抗震[1-2].将屈曲约束支撑分为两大类:(1)由钢管或混凝
为了克服普通钢支撑的这一缺点,日本的若林實土约束核心支撑的管式屈曲约束支撑;(2)以墙
等在普通钢支撑的外侧包裹混凝土,对其提供有板为约束单元的墙板式屈曲约束支撑.图1所示
效的侧向约束,避免其屈曲.在钢支撑和混凝土两为目前使用在钢结构及已有结构抗震加固改造中
者之间填充脱粘结材料,使混凝土并不参与承受的管式屈曲约束支撑.
轴向荷载[3,4].遵循这样的思路,国内外研究者开
整体稳定的刚度准则
发出受压时没有屈曲发生的构件-屈曲约束支撑2

(Buckling-RestrainedBraces,BRB)或者无屈曲考虑一个由混凝土包裹钢支撑所构成的屈曲
[5-9]
消能支撑,并把它们使用在高层建筑结构及约束支撑的弹性屈曲问题.假设,核心钢支撑和混
[10-11]
既有结构的抗震加固改造中.屈曲约束支撑凝土之间有理想的脱粘结材料存在,使两者之间
的原理比较简单:在核心支撑的外面增加一个屈没有粘结作用,外覆的混凝土只对中间的钢支撑
曲约束单元,使核心支撑在受压的时候不发生屈起约束其侧向屈曲变形的作用,不参与承受轴向
曲,而是与受拉一样发生屈服,从而能够大量吸收荷载.如图2所示,混凝土包裹钢支撑形成的屈曲
输入整个体系的能量,提高结构的抗震性能.然约束支撑的变形可以表示为
而,在新型屈曲约束支撑开发中,如何进行经济合nPx
v=Dsin,(1)
理的设计,以使屈曲约束单元有效地约束轴力支l
撑的屈曲是工程设计人员面临的一个问题.式中:v是外部包裹混凝土的屈曲约束支撑的变

收稿日期:2008-03-11
基金项目:国家十一五科技支撑计划项目(2006BAJ13B01-06);上海市自然科学基金项目(06ZR14088)
作者简介:谢强(1971)),男,博士,副教授,主要从事工程结构与生命线工程防灾研究.
96沈阳建筑大学学报(自然科学版)第25卷

形;D是跨中最大变形;l是屈曲约束支撑的长度;x是支座到计算截面处的距离.

[7]
图1屈曲约束支撑的部分典型截面形状
2
式中:k=N/ESIs;B=a/ESIs;ESIs为中心钢支撑
的抗弯刚度.
假设支撑两端均为铰接,求解式(5),可以得到:
2
N1=4aESIS,(6a)
22
2nPESIS
N2=.(6b)
l2
因式(6a)式(6b)相等,可将屈曲模态长度表示为
1
4
lESIS
=P.(7)
图2混凝土包裹的支撑受力分析简图na

根据中心支撑和外包混凝土之间变形协调条根据式(6b)和式(7),可以将Ncr分解为以下两部
件,由式(1)所示的变形可以得到混凝土中的侧分之和:
22222
向分布约束力p为nPESISESIS2nPESISl
N=+l=+a.(8)
4424222
nPnPxll22lPn
p=DECICsin,(2)44nP
l4lnP
式(8)右边第一项是核心钢支撑的屈曲荷载,第
式中:EcIc是外包混凝土的抗弯刚度.
将式(2)中的分布约束力p除以式(1)的变二项就表示了外包混凝土对于组合体系的屈曲荷
形,可以得到如下的表达式:载的贡献.用NE表示无外包混凝土约束的中心钢
44支撑的欧拉荷