防屈曲支撑设计TJBRB-Designbook

TJ型屈曲约束支撑设计手册目录1.产品概念与优点............................................................11.1产品概念.........................................................11.2产品优点.........................................................22.产品性能与验收要求.........................................................32.1芯板材性.........................................................32.2产品性能.........................................................42.3产品验收.........................................................63.产品应用设计...............................................................73.1支撑布置.............................................................73.2支撑承载力...........................................................73.2.1设计承载力.....................................................83.2.2屈服承载力.....................................................83.2.3极限承载力.....................................................93.3支撑设计要求.........................................................93.3.1风载与小震下承载力要求.........................................93.3.2支撑外套筒抗弯刚度要求........................................103.4支撑节点设计要求....................................................103.4.1螺栓连接......................................................103.4.2焊接连接......................................................113.5支撑弹塑性滞回模型..................................................114.产品设计示例.............................................................124.1布置与产品选用......................................................124.2弹性构件验算........................................................134.3弹性设计与普通支撑对比..............................................134.4节点设计............................................................134.5弹塑性分析..........................................................14附录一：产品选用表格........................................................191．支撑型号定义.........................................................192．产品标准表格.........................................................192.1TJⅠ型产品标准表格..............................................192.2TJⅡ型产品标准表格..............................................34附录二：屈曲约束支撑的应用实例..............................................44TJ型屈曲约束支撑设计手册-1-1.产品概念与优点1.1产品概念支撑可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力(参见图1-1)，采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。图1-1支撑体系与非支撑体系荷载位移曲线对比但是，普通支撑受压会产生屈曲现象，在地震力反复作用下滞回性能很差(参见图1-2)。图1-2普通支撑试验滞回曲线在支撑外部套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑(参见图1-3)。图1-3屈曲约束支撑构成原理图非支撑体系支撑体系结构水平位移结构水平荷载11TJ型屈曲约束支撑设计手册-2-屈曲约束支撑受拉与受压均能进入屈服，滞回性能优良(参见图1-4)。屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内。因此，屈曲约束支撑的应用，可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能(参见表1-1)。图1-4屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比表1-1屈曲约束支撑框架与普通支撑框架的抗震性能比较传统支撑框架屈曲约束支撑框架主体结构普通支撑主体结构屈曲约束支撑小震弹性弹性弹性弹性中震弹性或塑性弹性或屈曲弹性塑性（耗能）大震塑性屈曲弹性或塑性塑性（耗能）中、大震后拆除损坏部分，影响建筑使用检查屈曲约束支撑，更换不影响建筑物使用1.2产品优点与普通支撑相比，屈曲约束支撑具有以下优点：z承载力高抗震设计中，普通支撑的轴向承载力设计值为：nbAfNλϕ35.01+=（1-1）式中：ϕ—轴心受压构件的稳定系数；A—支撑的截面面积；f—支撑材料强度设计值。22TJ型屈曲约束支撑设计手册-3-nλ—支撑的正则化长细比，()aynfEλλπ=；λ—支撑长细比；ayf—钢材屈服强度；E—钢材弹性模量。抗震设计中，屈曲约束支撑的轴向承载力设计值为：AfNb=（1-2）式中：A—屈曲约束支撑芯材截面面积；f—屈曲约束支撑芯材强度设计值。z延性与滞回性能好屈曲约束支撑在弹性阶段工作时，就如同普通支撑可为结构提供很大的抗侧刚度，可用于抵抗小震。屈曲约束支撑在弹塑性阶段工作时，变形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器，可用于结构抵御大震。z保护主体结构屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力，在大震下可起到“保险丝”的作用，用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏，并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑。z减小相邻构件受力由于普通支撑受压屈曲，受拉与受压承载力差异可能很大，而普通支撑的截面由受压承载力控制，但支撑受拉时其内力最大可达到受拉承载力，故与支撑相邻构件的内力由支撑受拉承载力控制。如采用屈曲约束支撑，支撑受拉与受压承载力差异很小，可大大减小与支撑相邻构件的内力（包括基础），减小构件截面尺寸，降低结构造价。2.产品性能与验收要求2.1芯板材性芯板材料共有两大系列，分别是低屈服点钢系列和低碳钢系列。屈曲约束支撑并不要求一定采用低屈服点钢材，只要材料性能满足要求，即可达到屈曲约束支撑基本的性能需求。芯板材料性能要求为：1）强屈比不应小于1.2；2）伸长率应大于25%；3）应具有0°C下27J冲击功韧性。国产低碳钢Q235、Q195钢材和低屈服点钢材BLY160、BLY225均能达到上述要求。低屈服点钢是一种新的钢种，其主要特点是屈服点稳定，其波动范围一般控制在±20MPa的范围内，此外具有更好的延伸率。低屈服点钢材常见型号屈服点强度为160MPa、225MPa两种。国产低屈服点钢板（如图2-1）的材料力学性能见表2-1。33TJ型屈曲约束支撑设计手册-4-图2-1宝钢低屈服点钢材产品图样表2-1BLY160和BLY225钢板力学性能板厚屈服强度Rp0.2,MPa抗拉强度Rm,MPa屈强比YR,%伸长率A50mm,%0℃冲击功Akv,J规定值160±20220-320≤80≥45≥2720mm161、176294、29855、6068、72250、282BLY16040mm1502855361277规定值225±20300-400≤80≥40≥2730mm216-219311-30770-7245、4745、51BLY22555mm225-210315-31571-6745、45125、2522.2产品性能图2-2TJ型屈曲约束支撑产品实物图TJ型屈曲约束支撑产品目前有TJI型与TJⅡ型两个型号，都由同济大学多高层钢结构与钢结构抗火研究室研制，是国内首个实现产业化的国产屈曲约束支撑产品（如图2-2）。其中，TJI型屈曲约束支撑的约束套筒采用方型或矩形钢管，套筒与芯板之间无填充材料，44TJ型屈曲约束支撑设计手册-5-通过特殊的加劲肋设计实现对芯板约束屈服段的约束效应；TJⅡ型屈曲约束支撑约束套筒采用方形钢管，套筒与芯板之间采用填充材料实现对芯板的屈曲约束作用。大量实验证明，TJI型与TJⅡ型屈曲约束支撑的产品性能，均满足A级和B级产品性能要求（图2-3、表2-2）。-4000-3000-2000-10000100020003000-50-40-30-20-1001020304050位移(mm)力(kN)(a)Q160国产低屈服点钢芯板(b)Q195国产低碳钢芯板-2500-2000-1500-1000-50005001000150020002500-40-30-20-10010203040位移(mm)力(kN)(c)Q225国产低屈服点钢(d)Q235国产低碳钢芯板图2-3TJI型屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线-15000-10000-5000050001000015000-150-100-50050100150位移(mm)力(kN)图2-4TJII型屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线-2500-2000-1500-1000-5000500100015002000-50-40-30-20-1001020304050位移力图2-5新日铁屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线-2000-1500-1000-5000500100015002000-30-20-100102030位移mm力kN55TJ型屈曲约束支撑设计手册-6-表2-2TJ型屈曲约束支撑产品试验结果对比表序号芯板材料屈服承载力(t)最大相对变形相当于层间位移角最大拉力(t)最大压力(t)应变强化系数屈服位移Dy(mm)累计塑性变形(×Dy)1BLY1601211/801/402562812.121.458422Q1951721/801/402512661.462.773613BLY2251301/801/401851991.422.004834Q235871/1001/501361361.561.733765BLY2257101/801/4092711051.309.07337新日铁225MPa1321/801/401751901.333.04242同新日铁屈曲约束支撑产品对比，TJI型与TJⅡ型屈曲约束支撑在性能与新日铁产