CN1963061A - 组合热轧角钢防压曲支撑 - Google Patents

Abstract

一种组合热轧角钢防压曲支撑(BRAB)属于土木工程结构消能减震技术领域。目前，国际上所用防压曲支撑的钢芯均为低屈服点钢材，而国内钢材市场尚不能批量提供优质低屈服点钢材及制品，钢材截面形状也难于选择，不能满足工程要求。本发明采用屈服强度为300－400MPa碳素结构热轧角钢组合制作成截面符合工程要求的钢芯；钢芯工作段截面面积A_c满足0.5A_l≤A_c≤0.8A_l，长度l_c满足0.4l≤l_c≤0.7l；构造间隙厚度为钢芯受压屈服时横向变形的1.5－2.5倍。本发明组合热轧角钢防压曲支撑耗能稳定，不失稳，抗低周疲劳性能好，具有优异的抗震性能，能够满足工程抗震设计的多种需求并能增加结构抗侧移刚度。

Description

组合热轧角钢防压曲支撑

一、技术领域

组合热轧角钢防压曲支撑(BRAB)属于土木工程结构消能减震技术领域，主要用于建筑结构工程、土木结构工程。

二、背景技术

当需要增加结构侧移刚度、提高结构抗震能力、改善结构抗震性能时可使用防压曲支撑，并将其安装在土木工程结构的重要节点之间(图1)。防压屈支撑一般由涂有表面隔离材料并设构造间隙的钢芯、外包钢管及连接配件组成，钢芯和外包钢管之间的空隙内填充水泥砂浆或混凝土(图1)。钢芯在工作时仅承担拉、压力。表面隔离材料及构造间隙可允许钢芯在外包材料中伸缩，外包水泥砂浆及钢管可增加整体稳定，避免钢芯受压失稳。钢芯在屈服前为结构提供侧移刚度，在屈服后可消耗地震能量。在反复荷载作用下滞回曲线具有饱满、规则的特点(图2)。

目前，一方面，日、美所用防压曲支撑的钢芯均为低屈服点钢材，实际屈服强度低于300MPa，有的甚至低到180MPa。例如，2002年9月，伯克利加州大学(University of California，Berkeley)的Cameron Black，Nicos Makris等人在“Component Testing，Stability Analysis and Characterization ofBuckling-Restrained Unbonded Braces”的文章中，2003年2月，圣迭哥加州大学(University of California，Berkeley)的Steve Merritt，Chia-Ming Uang，GianmarioBenzoni等人在“Subassemblage Testing of Core brace Buckling-Restrained Braces”的文章中提到的所研制的钢芯材料，实际测试的屈服强度为266-282MPa。日、美的经验是，只有使用低屈服点材料，才能既使用大截面(实现高刚度)、又能做到早屈服(低屈服承载力)，进而保护主体结构。

然而，由于市场及设计技术等方面的原因，我国钢材市场尚不能批量提供优质低屈服点钢材及制品。国家标准规定对低屈服点钢材的力学性能不作交货条件(如Q195钢)。量大面广的结构用钢一般为Q235及以上的碳素钢及强度更高的低合金钢。实测表明，这些钢材的实际屈服强度大多高于300MPa。如，哈尔滨工业大学李妍等2006年7月在“防屈曲钢支撑阻尼器的试验研究”文章中所述的Q235钢材的测试强度达到321MPa。如果使用中高屈服点材料制作钢芯，在实现高刚度/低屈服承载力、高刚度/高屈服承载力等抗震设计所需要的多种性能参数上有困难。

另一方面，日、美普遍使用的防压曲支撑的钢芯截面形状是“一”字形和“十”字形截面。但是，我国大陆建材市场提供的热轧型材有扁钢、角钢、槽钢、T型钢(槽钢冷切割而成)、工字钢、H型钢等多种，没有“十”字型材。如仅使用“一”字型钢材(扁钢)制作钢芯难于满足实际工程对大刚度、大屈服承载力的需求。除扁钢外，其它型材要么是截面没有双对称轴，要么难于与节点板连接。若用钢板焊接制成“十”字形截面，由于长线、深度焊接技术存在温度应力、残余变形和材料脆性等问题，在高应力及反复荷载的不利条件下，焊接截面可能在耐低周疲劳上存在问题。

综上，在我国钢材市场目前的背景下使用防压曲支撑，有两个方面问题亟待解决，一是使用中、高屈服点钢材的问题，另一个是钢芯截面形状的问题。

三、发明内容

本发明的目的是使用国产量大面广的热轧角钢，通过合理的截面组合形式、制作技术及设计技术制造防压曲支撑，解决目前国产结构用钢材屈服强度较高、型材不适用等方面带来的相关问题。在保证受力性能、抗震性能和降低造价的前提下，使之成为进口防压曲支撑的替代品。

为达到上述目的，根据中国大陆结构用钢材市场的供货情况，优先选用国产Q235钢替代国外的低屈服点钢材。使用国产热轧角钢进行组合(图3)，经简单机械加工制作防压曲支撑钢芯，解决钢芯截面形状问题。使用工作截面弱化技术，确保防压曲支撑的屈服发生在工作段(图4)。通过调整工作段长度实现结构抗震设计的多种需求。

一种组合热轧角钢防压曲支撑，主要包括涂有表面隔离材料并设构造间隙的钢芯、外包钢管，钢芯和外包钢管之间的水泥砂浆或混凝土，其特征在于：

钢芯截面为由两个热轧等边角钢对顶组合成的等边双角钢十字型截面、两个热轧不等边角钢或L型钢对顶组合成的不等边双角钢十字型截面、两个热轧不等边角钢或L型钢等肢边对边组合成的不等边双角钢丁字型截面、四个热轧等边角钢对边组合成的等边四角钢十字型截面、四个热轧不等边角钢或L型钢等肢边对边组合成的不等边四角钢十字型截面之一。

为了确保防压曲支撑的屈服发生在工作段，并满足结构抗震设计的多种需求，所述的钢芯由屈服强度为300-400MPa碳素结构热轧角钢或L型钢对顶或对边组合而成；钢芯工作段与非工作段的截面面积满足式(1)

               0.5A₁≤A_c≤0.8A₁             (1)

其中A_c钢芯工作段截面面积，A₁钢芯端部截面面积；并且钢芯工作段的长度l_c满足式(2)：

              0.4l≤l_c≤0.7l                (2)

其中l_c为钢芯工作段的长度，l为支撑整体长度。

为了保证钢芯可以自由伸缩，并防止钢芯发生局部失稳，所述的构造间隙的厚度为钢芯受压屈服时横向变形的1.5-2.5倍。

当钢芯截面为不等边双角钢或双L型钢丁字型截面时(图6)，由于钢芯工作段截面和非工作面截面型心不共线，导致非轴向内力存在。为避免这种情况，采取在钢芯非工作段肢背上焊接附加配件板(图7)的方法，附加配件板的厚度与钢芯的厚度相同，长度与钢芯非工作段长度相同，高度z_a按式(3)计算：

$Z_a=\frac{1}{t}[\sqrt{t^2{z}^{*2}+2t{A}_0(z_0-z^{*})}-{\mathrm{tz}}^{*}]---\left(3\right)$

式中，t为附加配件板厚度；z^*为工作段型心高度；A₀为角钢截面面积；Z₀为角钢型心高度。

为了方便制作，可以先采用点焊或端面焊将角钢对顶或对边焊接组合成所需截面的钢芯后，再采用对工作段进行削弱处理或对非工作段进行加强处理的方式，形成弱化工作段。

所述的工作段削弱处理是指对钢芯的工作段肢尖进行切削，为保证工作段发挥屈服作用、满足屈服承载力需求并合理用钢，肢尖的切削尺度c(图5、6)满足式(1)的要求，且工作段与非工作段采用过渡弧线或过渡斜直线连接(图8)。

所述的非工作段加强处理是指用宽度为c₁、厚度与腹板厚度相同、长度与钢芯非工作段长度相同的补强板对钢芯端部进行焊接加强(图9)，为保证工作段发挥屈服作用、满足承载力需求并合理用钢，补强板宽度c₁按下列原则确定：

①经加强后的钢芯端部截面面积与工作段截面面积满足式(1)的要求。

②当钢芯采用不等边双角钢或双L型钢丁字型截面组合形式时，钢芯端部加强处理后截面型心应与工作段截面型心保持一致，具体按下述方法进行：

采用等宽度补强板，在钢芯非工作段范围内的肢背上方焊接厚度与腹板厚度相等、长度与钢芯非工作段相等的附加配件板(图10)，附加配件板高度z’_a按与式(3)类似的式(4)确定。

$z_a^{\text{'}}=\frac{1}{t}[\sqrt{t^2{z}^{*2}+{2\mathrm{tA}}_0^{\text{'}}(z_0^{\text{'}}-z^{*})}-{\mathrm{tz}}^{*}]---\left(4\right)$

式中，t为附加配件板厚度；z^*为工作段型心高度；A’₀为经加强处理后的角钢截面面积；z’₀为经加强处理后角钢型心高度。

本发明防压曲支撑的轴向刚度可按式(5)计算：

$K_a=\frac{1}{\frac{l_c}{E_c{A}_c}+\frac{l_t}{E_c{A}_t}+\frac{l_l}{E_l{A}_l}}---\left(5\right)$

式中E_c、E_l分别为钢芯和连接钢材的弹性模量，l_l、A_l连接段长度、截面积；l_t、A_t过渡段长度、截面积；l_c、A_c工作段长度、截面积。

由式(5)可知调整工作段长度/截面积比值(即l_c/A_c)可在较大范围内进行刚度调整。在工作段截面积A_c(取决于抗震设计对屈服承载力的需求并满足式(1))一定时，为满足工程设计的刚度要求并保证安装构造，工作段的长度调整范围应符合式(6)的要求。

0.4(l_c+l_t+l_l)≤l_c≤0.7(l_c+l_t+l_l)    (6)

其中l_l为连接段长度，l_t为过渡段长度，l_c为工作段长度，三者之和为防压曲支撑的整体长度l。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明使用国产量大面广的碳素钢热轧角钢制作防压曲支撑，找到了目前国内建筑钢材市场缺乏的低屈服点钢材的替代品，使用组合热轧角钢经简单机械加工制作钢芯的方法，解决了目前国内缺少热轧十字形截面型钢的问题。

2.本发明提出的工作段截面弱化技术及相关构造，能保证组合热轧角钢防压曲支撑在反复荷载作用下实现工作段拉/压屈服，不失稳，从而实现力-位移滞回曲线饱满、耗能稳定、抗低周疲劳性能好的效果，具有优异的抗震性能，在性能上不低于同类进口产品。

3.通过调整工作段/非工作段长度及面积比，可实现高刚度/低屈服承载力、高刚度/高屈服承载力的不同搭配，组合热轧角钢防压曲支撑产品具备多种规格，满足工程抗震设计的需求。

4.本发明提供的防压曲支撑用途广泛，可在钢结构、劲性钢筋混凝土结构、混凝土结构中安装使用，对新建工程和既有结构加固工程均可使用。

5.制作工艺较简单，设计、安装方便，免维护，可更换。可较大幅度地降低结构工程造价。

四、附图说明

图1防压曲支撑的某个(人字形)安装状况及一般构造

其中：1钢芯；2水泥砂浆或混凝土；3表面隔离材料及构造间隙；4外包钢管。

图2防压曲支撑的轴力-位移试验曲线。

图3本发明所用的钢芯截面形式

(a)等边双角钢十字型截面；(b)不等边或L型双角钢丁字型截面；

(c)不等边或L型双角钢十字型截面；(d)等边四角钢十字型截面；

其中：1钢芯；2水泥砂浆或混凝土；3表面隔离材料及构造间隙；4方形钢管或圆形钢管；5附加配件板。

图4防压曲支撑的工作分段

其中：(1)工作段；(2)过渡段；(3)连接段；(4)非工作段；l_l连接段长度；l_t过渡段长度；l_c工作段长度，l防压曲支撑整体长度。

图5十字双角钢防压曲支撑构造

其中：c肢尖的切削尺度。

图6丁字双角钢防压曲支撑构造

其中：5附加配件板；Z^*钢芯工作截面型心高度；Z_a附加配件板高度。

图7工作截面切削后保证截面型心一致性的附加配件板高度

其中：z₀角钢截面型心高度；y₀角钢截面型心轴；y钢芯工作截面型心轴；z^*钢芯工作截面型心高度；t附加配件板厚度＝钢芯厚度。

图8过渡段的两种连接方式

其中：(a)过渡弧线；(b)过渡斜直线

图9将角钢在端部补强形成薄弱工作段

图10非工作段加强处理后保证截面型心一致性的附加配件板高度

其中：z’₀非工作段加强后的角钢截面型心高度；y’₀非工作段加强后的角钢截面型心轴；z’_a非工作段加强后的附加配件板高度；c₁端部补强板宽度；6端部补强板。

图11设置防压曲支撑的框架或设置中心支撑的框架首层平面布置图

其中：①表示采用了双角钢“十”字型截面钢芯的防压曲支撑；②表示采用了双角钢“丁”字型截面钢芯的防压曲支撑。

图12推覆分析法计算结果比较(底层中柱剪力-层间位移关系)

其中：NB框架为设置中心支撑的框架；BRAB框架为设置组合热轧角钢防压曲支撑的框架。

图13防压曲支撑框架的层间剪力分配系数变化过程

其中：1^stfl.、2^ndfl.、3^rdfl.、4^thfl.分别表示第1、2、3、4楼层；加载点顺序为推覆分析时的加载顺序。

五、具体实施方式

某四层钢框架结构，建筑面积约5000m²，首层高度4.8m，标准层高4.2m，结构总高17.4m。采用压型钢板叠合层楼盖，楼面活荷载为2.5kN/m²。抗震设防烈度8度，结构基本地震加速度0.2g，II类场地，设计地震分组为第一组。

1.钢框架结构选型及组合热轧角钢防压曲支撑的设计与制作

1)主体钢框架结构的选型、防压曲支撑的侧移刚度：根据建筑功能要求确定主体框架结构的柱网尺寸，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)对竖向荷载承载力及竖向位移的要求选定主体框架结构的柱、梁的截面。为保证在最大风荷载作用下结构的侧移满足《钢结构设计规范》的要求，在主体框架上增设防压曲支撑，共同提供侧移刚度，由此确定防压曲支撑的总侧移刚度及数量。防压曲支撑也将与主体框架一道抵抗地震作用。

2)防压曲支撑截面的计算：利用本发明组合热轧角钢防压曲支撑刚度可调及屈服承载力可调的特点计算截面面积。具体是，在步骤1)确定了支撑侧移刚度之后，对设置防压曲支撑的框架进行地震作用计算，并根据框架和支撑的协同工作或刚度比例确定支撑所承担的内力。根据此内力选定防压曲支撑的截面。在截面积确定之后，利用本发明式(5)计算出工作段长度。

在此步骤中，如需延缓防压曲支撑的屈服时机、提高结构整体抗震屈服水准，还可以利用本发明进一步增加防压曲支撑的截面面积，从而收到用先进的“基于性态的抗震设计理念”所能达到的效果。这也是本发明易于实现“基于性态的抗震设计方法”的一个优点。

3)防压曲支撑的设计：根据步骤1)、2)确定的支撑刚度、截面面积、工作段长度结果，所设计出的防压曲支撑列于表1。在保证刚度、截面面积和工作段长度的前提下，实选型钢还可以采纳图3所示的其他截面形式。但为方便施工及加工制作，尽量减少产品规格种类，表中截面构造选有等边双角钢“十”字型截面，不等边双角钢“丁”字型截面两种、工作段长度四种。具体在结构平面上布置时，按照对称、均匀、有利于减小结构扭转的原则进行。选在建筑外观、使用功能不受影响的部位。本案防压曲支撑按“人”字形(图1)安装，具体位置参见图11，其中，X向每层共设4个防压曲支撑，Y向每层共设8个防压曲支撑。钢芯的材料为国产Q235钢，屈服强度按300MPa计算。

表1：防压曲支撑钢芯的设计选用表

层	方向	支撑刚度kN/mm	工作段截面面积mm2	工作段长度mm	抗拉屈服承载力kN	实选型钢*	型钢截面面积mm2	数量
									4	X	77	1000	4000	300	①2L63/8	1903	4
3	X	161	2080	4000	624	①2L90/10	3432	4
									2	X	229	2960	4000	888	①2L125/10	4874	4
1	X	219	2960	4277	888	①2L125/10	4874	4
									4	Y	76	820	3355	246	①2L63/8	1903	8
3	Y	163	1773	3355	532	②2L100/80/8	2788	8
									2	Y	209	2267	3355	680	②2L100/80/10	3432	8
1	Y	218	2600	3679	780	②2L125/80/10	3942	8

*注：①表示采用了等边双角钢“十”字型截面钢芯的防压曲支撑，具体构造如图5所示；②表示采用了不等边双角钢“丁”字型截面钢芯的防压曲支撑，具体构造如图6所示。

4)防压曲支撑的制作安装：本案所用防压曲支撑按下列5个主要步骤进行。

a.根据表1所选角钢，先采用点焊或端面焊将角钢对顶或对边焊接组合成表1所需截面的钢材，按图5、6所示方法进行机械加工，制作成长度和面积符合表1要求的钢芯。并在钢芯工作段的中间部位焊接一限位卡，以防止钢芯和外包材料之间出现非工作滑动。限位卡可用螺栓、短角钢等制成。

b.在钢芯表面涂抹由树脂材料制作的隔离材料，厚度1mm。待结硬后粘贴间隙材料以形成构造间隙，构造间隙厚度分别为0.6mm(肢尖部位)和0.1mm(非肢尖部位)。

c.将钢芯放入方形钢管或圆形钢管，做临时固定。

d.在钢管和钢芯的空间内浇筑水泥砂浆或混凝土并养护至设计强度。

e.主体框架结构施工，焊接节点板及必要的加筋、连接材料，吊装防压曲支撑并用扭力扳手将连接螺栓旋紧。

2.结构抗震效果分析及对比

1)结构计算模型

为说明问题，本案设计了三种结构体系：防压曲支撑钢框架、中心支撑钢框架和普通钢框架。三种结构的设计条件相同，后者的结构抗震设计参照现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)进行。普通框架构件截面尺寸的确定，不但要满足静力承载力要求，还要满足抗震设计要求。中心支撑框架和防压曲支撑框架的梁、柱截面尺寸根据竖向承载力验算初步确定，抗震承载力靠框架和支撑共同保证。

使用《建筑抗震设计规范》允许的静力弹塑性分析方法(推覆分析法)对有限元模型进行计算与分析。其中梁、柱采用SAP2000计算程序中给定的压弯构件单元，梁、柱端设塑性铰以模拟构件一旦进入弹塑性后的受力行为。楼盖采用板单元，上加面荷载。中心支撑采用轴力杆单元，设受压临界力限定值，超过此临界力则认为构件失稳。防压曲支撑采用非线性轴力单元，恢复力模型采用非线性KINE模型。推覆分析法所采用的加载模式为倒三角形连续加载。恒荷载、活荷载、风荷载为静力荷载，一次施加完毕。

2)计算结果比较与分析

图12为X向推覆分析所得首层中间柱的剪力-层间位移结果。从该图可以看出，带中心支撑的框架柱(图中的NB框架)与带防压曲支撑框架柱(图中的BRAB框架)的初始刚度接近，但当侧向推覆力达到一定水准时，受压的中心支撑会发生大面积整体失稳，承载能力会突然降低，无法实现大震不倒的目标。带防压曲支撑的框架，由于防压曲支撑率先进入屈服阶段消耗地震能量，结构整体刚度会相应降低，但承载能力不会降低，结构整体延性及耗能能力大大提高。从图12还可看出，三种结构当中，只有BRAB框架完全达到了三水准抗震设防目标。普通框架钢材用量多，大震下有大量的梁、柱构件进入屈服状态，残余变形较大，震后修复费用高。

防压曲支撑框架在侧向推覆力开始加载直至达到极限位移的过程中，层间剪力的分配和重分配情况绘于图13中。可以看出，在弹性阶段，防压曲支撑承担62％-78％的总层间剪力，且在此阶段均保持此比例基本不变。当推覆至第18步以后，各层防压曲支撑陆续出现屈服现象。同时，在同层位置的框架柱子承担的承剪比例开始增加。推至第35步左右时，少量梁构件开始出现屈服现象，导致有些楼层普通框架的层间剪力比例的增加速度逐渐下降。当一定数量的梁端截面出现屈服时(第50步以后)，防压曲支撑与框架承担的层间剪力比例各自维持在50％左右，直至推覆结束。

此外，进一步研究分析得知，若使用带有消能梁段的偏心支撑框架或骨形连接梁框架，虽然结构抗震性能与本案的防压曲支撑框架持平，但经过大震后在消能梁段内保留的残余变形，将使与之连接的楼盖及维护结构产生较大的不可恢复的残余变形，修复难度加大、费用提高。而防压曲支撑框架是以支撑的屈服变形为代价的，主体框架或绝大部分框架(取决于设计要求)可保持弹性，依附其上的维护结构变形较小，也就减少了修复费用。防压曲支撑属于金属屈服型阻尼器，不需要日常维护，有效地减少了建筑终身造价。即使个别防压曲支撑出现损坏，也是容易更换的。

3)结论

该工程使用了本发明组合热轧角钢防压曲支撑，钢芯钢材取自大陆建材市场Q235碳素钢及热轧角钢。在纵、横向分别安装了两种钢芯构造、四种工作段长度的防压曲支撑。通过调整工作段长度和截面面积得到了多种(每个楼层不同)刚度/屈服承载力设计参数，使结构具备了必要的抗侧移刚度及抗震承载力。

分析表明，使用本发明的组合热轧角钢防压曲支撑框架结构，受力机理明确，结构耗能稳定，抗震防线合理，充分实现小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防目标，抗震性能优于中心支撑框架和普通框架。在大震下能够有效地保护主体结构及非结构构件，还可实现基于性态的结构抗震设计。防压曲支撑框架的钢材用量较少，又由于使用了中国市场上量大面广的钢材及热轧型钢，比进口产品可望较大幅度地降低结构造价。

同带有消能梁段的偏心支撑框架和骨形连接梁框架相比，组合热轧角钢防压曲支撑框架抗震效果持平或略好。但本发明将屈服消能控制在防压曲支撑内部，可以有效地保护主体结构、非结构构件及附属设施，震后修复费用低或免修复。本发明构造简单、免维护，施工难度小，可在装修阶段进行安装，给施工带来便利条件。

Claims (4)

1.一种组合热轧角钢防压曲支撑，主要包括涂有表面隔离材料并设构造间隙的钢芯、外包钢管，钢芯和外包钢管之间的水泥砂浆或混凝土，其特征在于：

钢芯截面为由两个热轧等边角钢对顶组合成的等边双角钢十字型截面、两个热轧不等边角钢或L型钢对顶组合成的不等边双角钢十字型截面、两个热轧不等边角钢或L型钢等肢边对边组合成的不等边双角钢丁字型截面、四个热轧等边角钢对边组合成的等边四角钢十字型截面、四个热轧不等边角钢或L型钢等肢边对边组合成的不等边四角钢十字型截面之一。

2.根据权利要求1所述的一种组合热轧角钢防压曲支撑，其特征在于：

所述的钢芯由屈服强度为300-400MPa碳素结构热轧角钢或L型钢对顶或对边组合而成；钢芯工作段与非工作段的截面面积满足式(1)

0.5A_l≤A_c≤0.8A_l    (1)

其中A_c钢芯工作段截面面积，A_l钢芯端部截面面积；并且钢芯工作段的长度l_c满足式(2)：

    0.4l≤l_c≤0.7l    (2)

其中l_c为钢芯工作段的长度，l为支撑整体长度。

3.根据权利要求1所述的一种组合热轧角钢防压曲支撑，其特征在于：所述的构造间隙厚度为钢芯受压屈服时横向变形的1.5-2.5倍。

4.根据权利要求1所述的一种组合热轧角钢防压曲支撑，其特征在于：当钢芯截面为不等边双角钢或双L型钢丁字型截面时，钢芯的非工作段肢背上焊接高度为z_a，厚度与钢芯厚度相同、长度与钢芯非工作段长度相同的附加配件板，附加配件板高度z_a按式(3)计算：

$z_a=\frac{1}{t}[\sqrt{t^2{z}^{*2}+2t{A}_0(z_0-z^{*})}-t{z}^{*}]---\left(3\right)$

式中，t为附加配件板厚度；z^*为工作段型心高度；A₀为角钢截面面积；z₀为角钢型心高度。

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