屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的应用

屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的应用

卢喜经

大连大学亿达建筑设计院

摘要：最近几年，我国的城市化建设的速度和规模都有了明显得到提升，建筑工程的数目和种类也有了一定的变化，一些建筑工程中有一些特殊性的功能要求，有些建筑当中必须要使用不规则的混凝土形式，为了能够更好的保证结构自身的稳定性和安全性，通常要将屈曲约束支撑使用在混凝土结构的设计当中，本文主要分析了屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的应用，以供参考和借鉴。

关键词：屈曲约束支撑；结构设计；钢混框架结构；抗震性

在不规则混凝土建筑中，其自身的稳定性和安全性是设计和施工人员需要关心和关注的重点，在结构设计的过程中，为了可以让整个结构拥有更高的稳定性和安全性，通常在设计和施工的过程中要将屈曲约束支撑应用其中，这样不仅可以促进施工的顺利进行，同时还会在这一过程中保证施工的安全，结构自身的稳定性也会在这一过程中得到保障。

一、屈曲约束支撑概述

（一）约束屈服段

因为结构自身的特征，所以屈曲约束支撑可以在荷载反复的作用下形成屈服的状态，因此，在这一部分的设计过程中需要使用一些具有良好延展性的钢材。而当结构本身并没有特殊要求的时候，就可以选择一些强度比较高的合金钢，当然所选择的钢材必须能够保证结构整体的稳定性，这样才能使得屈曲约束支撑可以充分的发挥其积极的作用，保证支撑自身的可靠性和安全性。

（二）非屈服段

在这一部分的设计和建设中通常都是放置在套管和砂浆内部的，所以从某种意义上说，它就是约束屈服段的一种特殊的形式。为了能够有效的保证该部分可以始终处在弹性的工作状态当中，需要对构件的截面面积进行适当的增加。在实际的操作中也可以通过增加约束屈服段截面的面积或者是采用焊接加劲的方式实现相同的目的和效果。

（三）无约束屈服段

在这一部分的设计中，其实际上是对非屈服段进行延伸和处理，在设计的过程中会穿到套管和砂浆的外侧，同时还要和钢混框架结构形成有效的连接，为了能够给现场的施工提供更大的便利，通常在连接方式上采用的都是螺栓连接的方式。如果在施工中存在着一定的特殊要求，在相关规定允许的情况下也可以采取焊接的方式对其进行连接处理。

（四）无粘结可膨胀材料

因为结构在运转的过程中会受到约束机制的作用，所以在高阶模态的条件下，约束屈服段就有可能会出现一些比较细微的屈曲状态，同时产生屈曲的构件自身也需要有非常充足的空间在芯片受到了一定压力的时候产生细微的膨胀。为了达到这一目的，填充的材料之间应该预留一定的空间，这样就可以使得填充材料可以进一步的减芯材在约束端的剪应力，所以在设计的过程中，橡胶和乳胶等填充材料也就成为了最佳的选择。

二、屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的具体应用

（一）设计要求

在按照相关的设计标准和要求以及实验结果给出的参考数据的基础之上，在设计的过程中要从材料、构件和结构这三个方面来进行适当的调整，从而使得整个设计过程可以充分的满足结构设计的规定和要求。其中支撑核心钢材性能要求主要是：屈曲约束支撑当中最为重要的一点就是要充分的体现出钢材自身的延展性，同时其还要满足屈曲约束支撑在性能方面的具体要求，而并不是一味的去使用低屈服的点钢，通常情况下，在设计的过程中，我们所采用的核心钢材必须要有以下几个特征。首先材料自身的屈服比必须要在1.2以上。其次是伸长率，其伸长率必须要在25%以上。最后一点就是材料的冲击韧性必须要可以保证在0℃的条件下依然可以吸收27焦耳的能量要求，只有材料能够同时满足这些要求，才能实现良好的设计效果。

（二）设计原则

就不规则混凝土框架结构而言，为了确保其结构的稳定性，并具备良好的抗震性能，最基本的要求是应当在地震发生时，结构在地震波的作用下，有足够的强度作为保障，并且还要有一定的变形能力。而对于节点来讲，则要求其具有较高的强度安全系数，尤其是不规则的钢混框架结构，对节点强度的安全系数要求更高。为此，在对节点进行设计时，应遵循以下原则：其一，节点的强度应大于等于与之相连接构件的强度；其二，结构受到中等地震作用时，节点应当处于弹性范围内工作；其三，当发生强震时，节点强度的降低幅度不得超出柱子的极限承载力；其四，节点配筋的布置应尽可能简单、方便，否则会增大施工难度。

（三）设计步骤

现阶段，虽然我国在屈曲约束支撑与钢混框架结构连接设计方面的研究已经日趋成熟，但是随着建筑结构的不断发展，不规则混凝土框架结构日益增多，而将屈曲约束支撑应用于该结构设计当中的研究相对较少，尤其是对节点构造方面的研究更是少之又少。为了能够使屈曲约束支撑在不规则混凝土框架结构设计中获得推广应用，故此本文将研究的重点放在节点设计上。本文提出的连接方式与钢结构框架中连接支撑系统的梁柱节点类型相近似。主要的区别是在混凝土框架结构当中，节点板一般都是借助预埋件和锚栓与混凝土构件进行可靠连接的，为此，对于屈曲约束支撑钢混框架结构的梁柱节点，可利用现行的钢结构设计规范为依据进行设计。此外，在设计过程中需要重点考虑的是节点与节点各个组成部分，它们不仅需要承受屈曲约束支撑的屈服荷载，并且还必须能够承受支撑的极限荷载，只有这样才能进一步确保支撑体系在地震作用下的延性。具体设计过程如下：

1、屈曲约束支撑设计。

上式中表示屈曲约束支撑的层间刚度；，其中分别代表钢芯工作段及非工作段的横断截面积；k的取值为0.7-0.9（该取值是扣除构件及节点板所占尺寸的长度系数）；x表示工作段长度系数，可取0.3-0.6；H是结构的层高；E代表钢芯材料的弹性模量。根据抗剪配筋验算结果可知符合设计要求。

2、支撑节点设计。这部分是本设计中最为重要的部分之一，共分为以下三个环节：①连接段设计。为了进一步确保钢芯屈服能够在工作段范围之内，就必须保证在任何条件下非工作段都应当处在弹性工作状态下。为此，在实际设计中，应当充分考虑支撑压拉强度比、屈服强度比值以及钢芯材料的抗拉强度等因素对钢芯承载力的影响，以此来确保连接段的承载力符合设计要求；②节点板与支撑连接的焊缝设计。在没有特殊要求的前提下，节点板与支撑连接可直接采用高强度的螺栓进行可靠连接，若有特殊需要则应采用焊缝连接；③确定节点板的尺寸。节点板的平面尺寸可以在参考一般构造规定的基础上，根据与节点板相连的预埋件和支撑连接段的焊缝长度、焊脚尺寸进行画出。在这其中，保证支撑与梁柱的边缘之间拥有足够的距离，以此避免因焊缝密集程度高而出现节点板过热现象，进而导致节点板脆化。支撑连接段端部到节点板嵌固点在支撑杆件方向的距离必须大于板厚度的2倍。

三、结语

总而言之，随着建筑工程的不断增多，不规则混凝土框架结构也必然会随之增多，为了确保此类结构的稳定性和抗震性，应当在结构设计过程中合理应用屈曲约束支撑。通过本文的研究可知，在整个设计过程中，节点设计是最为重要的环节之一。为此，在应用屈曲约束支撑进行设计时应将节点设计作为重点环节，这样有利于确保结构的整体稳定性和抗震性。

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