两端销轴型屈曲约束支撑连接节点分析与安装技术研究

王 轶

(上海宝冶集团有限公司，上海200941)

1 引言

屈 曲 约 束 支 撑［1－2］(buckling-restrained brace)由轴力支撑单元(芯板)、屈曲约束单元(套管)以及套筒内无黏结材料组成(图1)。芯板位于中部，用来承受结构产生的轴向荷载，是屈曲约束支撑的最主要受力构件，要求其在拉压荷载作用下反复屈服，因此需用延性好、屈服强度稳定的钢材制成，芯材被置于一个钢套管(steel tube)内，然后在套管内灌注填充材料。在芯材和砂浆之间设有一层无黏结材料或非常狭小的空气层(gap)。通过套管的作用防止芯板在受压时产生整体或局部屈曲，因而屈曲约束支撑在受拉和受压时都发生屈服而不失稳，且屈服受力时稳定性能好，在强震时具有很强的耗能能力。屈曲约束支撑起源于美国，在20世纪70～90年代发展于日本。屈曲约束支撑在日本应用较多，随着我国抗震意识的提高，我国大陆地区目前也开始推广这种支撑体系，并且在北京、上海、西安等城市的在建建筑中已经开始使用［3］。

图1 屈曲约束支撑的基本构成图Fig．1 Configuration of BRB

对于设有屈曲约束支撑的结构，在小震作用下，主体结构和屈曲约束支撑均保持弹性，采用基于线性化的振型分解反应谱法进行计算，屈曲约束支撑按照刚度相等的原则进行建模分析，并控制其强度和变形在屈服范围之内，即按照“小震等效刚度设计法”进行设计。在大震作用下，主体结构和屈曲约束支撑两者都进入弹塑性阶段时，使用非线性分析方法进行计算，屈曲约束支撑结构的分析模型根据实测滞回曲线得到双线性骨架曲线进行模拟，并复核其最大变形在产品的极限变形能力之内，即按照“大震变形控制设计法”进行设计。BRB(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(图2)，就如同一个性能优良的耗能阻尼器，可以全面提高结构在地震下的抗震性能。其设计理念如下:强节弱杆，使节点的失稳荷载Pcr或设计承载力高于中间芯板的极限承载力，则在芯板损坏之前，支撑不会发生破坏［7］。

图2 BRB与普通支撑滞回性能对比Fig．2 Comparison between BRB and regular braces

销轴安装的主要问题在于传统的销轴连接技术中销轴比孔径小2 mm，即精度为2 mm，由于空隙较大造成屈曲约束支撑这一消能构件的耗能能力大打折扣，同时销轴本身的承压能力也由于空隙较大而有所降低。销轴连接的连接板做法有两种，一种为两侧增加加劲肋，虽然保证了节点板不会失稳，但往往给支撑的安装带来麻烦;另一种是不增加加劲肋，虽然经过常规计算能够满足不失稳，然而加工和安装造成的初始缺陷却很少有人考虑。除上述问题外，由于支撑的长度大于安装节点之间的空隙长度，两端销轴的屈曲约束支撑安装问题更为突出，其一端连接板往往需要现场与主体梁柱焊接。为解决上述问题，结合甘肃科技馆项目，本文进行了一些有益的探讨。

“甘肃科技馆项目”的结构体系为“钢梁－钢管砼柱混合框架－屈曲约束支撑”混合结构，框架柱采用矩形钢管混凝土柱，框架梁采用箱形或H型钢梁，楼板采用钢筋桁架楼板。由于兰州地区属于高烈度地震区，本文对选择合适的支撑，进行力学计算，保证支撑和结构实现预期的性能进行相关的研究和计算。

2 连接销轴的设计方法

屈曲约束支撑具有承载力高，延性与滞回性能好，利于抗震，截面尺寸和长度选择范围大，刚度可控，分析精度高，连接方式灵活，损伤后便于更换等优点［4］。屈曲约束支撑能够吸收大量的地震能量，延缓关键和主要构件的屈服破坏的时间，减轻主体结构的损伤，提高结构在大震的安全度。屈曲约束支撑与主体结构的连接形式多种多样，主要有焊接连接、高强螺栓连接及销轴连接［5－6］。其中，焊接连接传力直接、安装简单;销轴连接虽然安装较为复杂，然而由于其释放了转动约束，传力更为简单，而且其形式简洁大方，更适合用于支撑外露的情况。

为保证销轴的承载力满足设计要求，应保证连接的承载力大于屈曲约束支撑承载力。设计内容应包括焊缝的设计、销轴孔设计、连接板强度验算、连接板稳定验算。

2．1 焊缝设计方法

焊缝Lw1的长度如图3所示。

应按下列公式进行受拉、受压以及受剪的计算。

按照受拉计算应遵循式(1):

按照受压计算应遵循式(2):

按照受剪计算应遵循式(3):

当考虑复合受力状态时，应需满足式(4)的应力要求:

式中 N——屈曲约束支撑极限承载力(10 kN);

fc

w——连接板钢材抗压强度设计值(N/mm2);

ft

w——连接板钢材抗拉强度设计值(N/mm2);

fv

w——连接板钢材抗剪强度设计值(N/mm2);

t——连接板厚度(mm)。

Lw2的计算方法同上。

2．2 销轴孔设计方法

销轴应按下列公式进行承压、抗剪强度的计算，计算简图如图4所示。

图4 销轴连接板受剪面示意图Fig．4 Shear-resistance of pin-connection

销轴承压强度应按照式(5)进行计算:

销轴抗剪强度应按照式(6)进行计算:

式中 N——屈曲约束支撑极限承载力(10 kN);

t——耳板厚度(mm);

nv——受剪面数目。

2．3 连接板强度验算

连接板如图5所示，应按下列公式进行抗拉、抗剪强度计算。

图5 销轴连接板Fig．5 Pin-connection plate

连接板净截面处的抗拉强度应按照式(7)、式(8)进行计算:

连接板端部截面抗拉(劈开)强度应按照式(9)进行计算:

连接板抗剪强度应按照式(10)、式(11)进行计算:

式中 N——屈曲约束支撑极限承载力(10 kN);

b1——计算宽度(mm);

d0——销轴孔径(mm);

f——连接板抗拉强度设计值(N/mm2);

Z——连接板端部抗剪截面宽度(mm);

fv——连 接 板 钢 材 抗 剪 强 度 设 计值(N/mm2)。

3 销轴连接板稳定验算

销轴连接板除按照上述方法进行设计外，对不增加加劲肋的形式还应进行非线性稳定分析，本文选取某实际工程的连接节点，采用ABAQUS建立有限元模型［8］，进行非线性分析。

3．1 模型建立

模型几何尺寸如图6所示，节点板厚度有40 mm和50 mm两种，分别建模分析。

图6 节点板尺寸(单位:mm)Fig．6 Details of connection plates(Unit:mm)

节点板采用Q345GJ钢材。如图7所示，钢材的应力应变关系曲线采用试验测试结果，并转换为真实应力－应变关系。

图7 钢材应力－应变关系Fig．7 Constitutive relationship of steel

采用ABAQUS中S4R壳单元对节点板进行网格划分，见图8。

图8 节点板网格划分Fig．8 Mesh of connection plate

节点板左边缘和下边缘采用固接边界，开孔处沿轴向施加荷载，如图9所示。有限元分析时为获得荷载－位移曲线的下降段，采用位移加载模式。

图9 边界条件与加载Fig．9 Boundary conditions and loading

3．2 初始缺陷的引入

实际工程中，加工过程不可避免会造成节点板的微小变形，使得节点板不能达到理想的平整板。因此，有限元分析时需考虑节点板的不平整，这对节点板的受压极限荷载和受压屈曲行为有不可忽视的影响。

首先对建立的节点板有限元模型进行失稳模态分析(前10阶模态)，查看其失稳模态，前三阶失稳模态见图10。然后在有限元模型中，以最不利第一阶失稳模态为参考，考虑幅值为0．5 mm的初始不平整作为几何初始缺陷。

3．3 分析结果

有限元分析考虑材料非线性和几何非线性，获得节点板的在轴向受压下的荷载－位移曲线，如图11所示。

图10 节点板失稳模态Fig．10 Buckling of connection plate

图11 节点板荷载位移关系曲线Fig．11 Force-displacement relationship of the connection plate

由图11可以看出，两种节点板都呈现极限失稳的特征。40 mm厚节点板的的稳定极限承载力为4 813 kN，50 mm厚节点板的稳定极限极限承载力为6 973 kN。50 mm节点板的承载力约为40 mm厚节点板承载力的1．4倍。

从图11还可看出，节点板初始受压时荷载－位移曲线保持线性，说明节点板处于弹性状态。随着轴压力增大，节点板开孔部分应力集中，小部分进入塑性。轴力压力持续增大，节点板销轴下部更多受压区进入弹塑性状态。节点板达到极限荷载时，其平面外变形仍不显著，而局部失稳发生后，其平面外变形立即迅速增长，抗压承载力退化显著，最终丧失承载能力。以50 mm节点板为例，图12分别给出其屈服前、屈服时、屈服后、达到极限荷载时和失稳后的应力云图和变形情况。

图12 厚50 mm节点板应力云图与变形情况Fig．12 Strain and deformation contour of a 50 mm connection plate

4 销轴安装工艺

销轴连接整体美观、符合力学假设，但是屈曲约束支撑作为位移型阻尼器，其屈服位移为1～8 mm，传统的销轴连接技术中销轴比孔径小2 mm，即精度为2 mm，这将使得屈曲约束支撑在2 mm的变形量内无法发挥其耗能作用，从而严重影响到建筑结构的抗震性能。因此销轴连接时应采取以下措施:

(1)材料上，与支撑相连接的连接板从普通Q345钢改为使用低合金高强度钢(主要为Q390/Q420)，增加安全性，并且降低了连接板的厚度。

(2)精度上，连接板需要与支撑耳板配套加工，见图13，全部由屈曲约束支撑生产单位加工，销轴插入耳孔后的活动间隙由原来的2～2．2 mm提升至0．3～0．5 mm，精度提升了5～6倍，使得构件受力性能得到提升并符合力学假设。

(3)与主体结构连接上，主体结构梁柱在屈曲约束部位都伸出一块接头板，如图14所示，然后与屈曲约束支撑节点板焊接，如图15所示。

图13 连接板与屈曲约束支撑耳板配套加工Fig．13 Connection plate and BRB joint plate manufacture

图14 主体梁柱部位伸出接头板Fig．14 Connection plates at the joints of beams and columns

图15 接头板与屈曲约束支撑节点板焊接Fig．15 Welding between connection plates and BRBs

5 结语

两端销轴连接型屈曲约束支撑是一种新型的结构减震构件，其设计方法和安装工艺有特殊性，本文给出了设计及施工方法，并通过非线性分析验证了其极限承载力。有限元分析结果表明，节点承载力变化呈现非线性特征，达到极限稳定承载力后，不宜继续承载。在安装两端销轴连接型屈曲约束支撑时候，应充分考虑销轴安装精度问题，采用适当的工艺。

图16为甘肃科技馆项目工程附图。

图16 工程附图Fig．16 Practical engineering cases

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