毛玉坤 曲 哲

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

防屈曲支撐的超強(qiáng)系數(shù)

毛玉坤1曲 哲2

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了各國(guó)規(guī)范中關(guān)于防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)條文，對(duì)與防屈曲支撐承載力超強(qiáng)相關(guān)的參數(shù)包括應(yīng)變硬化系數(shù)和壓拉不等強(qiáng)系數(shù)作了研究，指出美國(guó)提出了這兩種系數(shù)，但并未給出具體的取值，我國(guó)的相關(guān)規(guī)定與美國(guó)類似，日本沒有區(qū)別應(yīng)變硬化系數(shù)和壓拉不等強(qiáng)系數(shù)，而是以一個(gè)綜合的調(diào)整系數(shù)加以考慮。

防屈曲支撐，超強(qiáng)系數(shù)，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

防屈曲支撐(BRB)具有飽滿而穩(wěn)定的滯回耗能特性，是性能可靠的消能減震構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于減震結(jié)構(gòu)。防屈曲支撐框架的設(shè)計(jì)中，BRB連接節(jié)點(diǎn)起到連接BRB和主體結(jié)構(gòu)的作用，是受力比較集中的地方，同時(shí)也是保障結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵部位。各國(guó)規(guī)范往往要求即使BRB達(dá)到極限承載力，其連接節(jié)點(diǎn)也要保持彈性。因此，正確地確定BRB連接節(jié)點(diǎn)的承載力需求是其抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。BRB本身受力狀態(tài)明確且滯回性能穩(wěn)定，這為連接節(jié)點(diǎn)承載力需求的確定提供了便利。盡管如此，BRB可能傳遞給連接節(jié)點(diǎn)的力往往遠(yuǎn)大于其名義屈服承載力。BRB芯材在經(jīng)歷較大的塑性變形后會(huì)有比較明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載力提高；BRB受壓時(shí)芯材與約束單元之間的摩擦等作用還會(huì)進(jìn)一步使BRB承載力提高。這些都會(huì)反過來對(duì)連接節(jié)點(diǎn)提出更高的承載力需求。由應(yīng)變硬化引起的BRB承載力超強(qiáng)與鋼材種類有關(guān)，且隨塑性應(yīng)變或累積塑性應(yīng)變而變化。而受壓承載力高于受拉承載力的程度則主要取決于BRB芯材與約束單元之間無粘結(jié)層的設(shè)計(jì)水平與施工質(zhì)量。本文介紹各國(guó)抗震規(guī)范中對(duì)BRB連接節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定，重點(diǎn)介紹確定連接節(jié)點(diǎn)抗震承載力時(shí)對(duì)BRB超強(qiáng)的考慮，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 美國(guó)防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定

根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)出版ANSI/AISC 341-10鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程的要求，BRB連接節(jié)點(diǎn)的承載力Pyj應(yīng)不小于1.1倍的BRB調(diào)整后的受壓承載力Pac，即Pyj≥1.1Pac，其中，Pac可按式(1)計(jì)算。

Pac=βωRyPy

(1)

其中，Pac為BRB調(diào)整后的受壓承載力；β為受壓承載力調(diào)整系數(shù)，反映BRB拉壓不等強(qiáng)的特性；ω為考慮芯材應(yīng)變硬化的系數(shù)；Ry為考慮芯材鋼材的實(shí)際屈服強(qiáng)度與名義屈服強(qiáng)度之間偏差的系數(shù)，對(duì)于美國(guó)常用的板材與型材，取值在1.1～1.3之間；Py=FyAs為防屈曲支撐的名義承載力，F(xiàn)y為芯材鋼材的名義屈服強(qiáng)度，As為芯材截面積。系數(shù)β與ω的取值尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而需要通過BRB的抽樣檢測(cè)試驗(yàn)加以確定。AISC 341進(jìn)一步要求試驗(yàn)得到的β不得超過1.3。但對(duì)ω沒有相應(yīng)的上限要求。此外，AISC 341要求檢測(cè)試驗(yàn)中BRB的最小軸向變形不小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層間位移角對(duì)應(yīng)的BRB軸向變形的2倍，且累積塑性變形不小于BRB屈服變形的200倍。系數(shù)β與ω的取值也正是在這樣的塑性變形條件下獲得的。

2 日本防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定

日本建筑學(xué)會(huì)《鋼結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南》要求BRB的連接節(jié)點(diǎn)在BRB破壞之前始終保持彈性，并按式(2)計(jì)算連接部位的設(shè)計(jì)屈服承載力。

Pyj=αPy

(2)

其中，α為連接節(jié)點(diǎn)調(diào)整系數(shù)，它綜合反映了BRB芯材鋼材的應(yīng)變硬化，芯材和連接節(jié)點(diǎn)鋼材材料強(qiáng)度的離散性等因素的影響。

記鋼材屈服強(qiáng)度的均值和方差分別為m(σy)和s(σy)，受拉強(qiáng)度的均值和方差分別為m(σu)和s(σu)，鋼材發(fā)生一定程度的應(yīng)變硬化后其的強(qiáng)度平均值為ξ·m(σy)，ξ為硬化系數(shù)；并假設(shè)此時(shí)的強(qiáng)度方差s(ξσy)可按照在s(σy)與s(σu)之間進(jìn)行線性插值來計(jì)算，如式(3)，式(4)所示。

s(ξσy)=s(σy)[1+(ξ-1)b]

(3)

(4)

在BRB連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，考慮BRB芯材發(fā)生一定程度的應(yīng)變硬化后的鋼材強(qiáng)度平均值即為mb(ξσy)，方差為sb(ξσy)。而連接部位自身的強(qiáng)度的平均值和方差分別記為mj(σy)和sj(σy)。假設(shè)二者是獨(dú)立的隨機(jī)變量，且均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，可得到使式(2)具有85.3%保證率的α值如式(5)所示。

(5)

其中，F(xiàn)by，F(xiàn)jy分別為BRB芯材和連接節(jié)點(diǎn)鋼材的名義屈服強(qiáng)度?？梢姡潦怯不禂?shù)ξ的函數(shù)，同時(shí)還取決于芯材和連接節(jié)點(diǎn)鋼材屈服強(qiáng)度的離散性。進(jìn)一步分析表明，α可以近似為關(guān)于硬化系數(shù)ξ的線性函數(shù)，如式(6)所示。

α=gξ+h

(6)

其中，g，h均為線性回歸參數(shù)，與芯材、連接節(jié)點(diǎn)的鋼材種類有關(guān)。文獻(xiàn)[2]在條文說明給出了日本常用的各種結(jié)構(gòu)鋼材的這兩個(gè)系數(shù)。給定芯材的硬化系數(shù)ξ，即可根據(jù)式(6)計(jì)算相應(yīng)的連接部位調(diào)整系數(shù)α。若將鋼材應(yīng)力—應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化為雙線形模型，硬化系數(shù)ξ則可以進(jìn)一步表示如式(7)所示。

(7)

其中，εa，εy分別為芯材的最大應(yīng)變和名義屈服應(yīng)變；k為屈服后剛度與初始剛度之比，對(duì)于日本SN B系列結(jié)構(gòu)用鋼，k=0.03；對(duì)于強(qiáng)屈比較小的低屈服點(diǎn)鋼LY225，k=0.02；對(duì)于強(qiáng)屈比較小的低屈服點(diǎn)鋼LY100，k=0.06。

在確定連接節(jié)點(diǎn)調(diào)整系數(shù)α?xí)r取εa=0.015。這樣，對(duì)于SN400B和SN490B兩種鋼材，名義屈服強(qiáng)度分別為235 MPa和325 MPa，屈服應(yīng)變分別為0.001 15和0.001 58，則根據(jù)式(7)可得對(duì)應(yīng)于εa=0.015的硬化系數(shù)ξ分別為1.36和1.25。表1給出了連接節(jié)點(diǎn)調(diào)整系數(shù)α的取值?？梢姡糜谶B接節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)的調(diào)整系數(shù)α往往均大于芯材的硬化系數(shù)β，這反映了芯材和連接節(jié)點(diǎn)材料強(qiáng)度離散性的影響。表中同時(shí)考慮了兩種連接節(jié)點(diǎn)失效形式。一種為連接節(jié)點(diǎn)鋼材屈服；另一種為摩擦型高強(qiáng)螺栓發(fā)生滑動(dòng)。值得注意的是，雖然摩擦型高強(qiáng)螺栓的實(shí)際承載力平均值與名義承載力之比相對(duì)較高(相當(dāng)于式(5)中的mj(σy))，但由于實(shí)際承載力的離散性較大，體現(xiàn)為較大的方差(相當(dāng)于式(5)中的sj(σy))，導(dǎo)致相應(yīng)的連接節(jié)點(diǎn)調(diào)整系數(shù)仍較大。

3 我國(guó)防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求BRB連接節(jié)點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)工作，但對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)沒有相應(yīng)的具體規(guī)定。正在編制的《屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)》對(duì)此作了更為詳細(xì)的規(guī)定，要求連接節(jié)點(diǎn)在1.2倍的BRB設(shè)計(jì)軸力作用下保持彈性，具體如式(8)，式(9)所示。

Pjt≥1.2ωPay

(8)

Pjc≥1.2ωβPay

(9)

其中，Pjt，Pjc分別為連接節(jié)點(diǎn)的受拉和受壓承載力設(shè)計(jì)值；與美國(guó)AISC 341類似；β，ω分別為受壓承載力調(diào)整系數(shù)和考慮芯材應(yīng)變硬化的調(diào)整系數(shù)；Pay為BRB的設(shè)計(jì)屈服軸力，相當(dāng)于美國(guó)AISC 341中的RyPy，對(duì)于Q235鋼Ry=1.25。

表1 BRB連接節(jié)點(diǎn)調(diào)整系數(shù)

與美國(guó)AISC 341類似，系數(shù)β與ω的取值也需要通過試驗(yàn)確定，并要求β不得超過1.3。不同的是，規(guī)定在1.2倍的BRB罕遇地震最大位移下確定β與ω的取值。

4 結(jié)語

本文整理總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于防屈曲支撐超強(qiáng)系數(shù)方面的規(guī)定。在與防屈曲支撐相關(guān)的設(shè)計(jì)中，防屈曲支撐的連接部位總要求保持彈性，即只需對(duì)其承載力進(jìn)行驗(yàn)算。在這一驗(yàn)算中，防屈曲支撐的超強(qiáng)系數(shù)是需要慎重選取的參數(shù)。

[1] ANSI/AISC 341-10.Seismic provisions for structural steel buildings[S].Chicago:American Institute of Steel Construction,2010.

[2] 日本建築學(xué)會(huì)，鋼構(gòu)造接合部設(shè)計(jì)指針[S].東京:日本建築學(xué)會(huì),2012:267-271.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)[Z].2013.

The over strength factor of buckling restrained brace

MAO Yu-kun1QU Zhe2

(1.CCCCTongliConstructionLimitedCompanybyShare,Xi’an710075,China; 2.ChinaEarthquakeBureau,EngineeringMechanicalInstitute,EarthquakeEngineeringandEngineeringVibrationChinaKeyLaboratory,ChinaEarthquakeBureau,Harbin150080,China)

This paper introduced the seismic design provisions about buckling restrained brace buckling restrained brace in various countries specification, researched the over strength parameters related to buckling restrained brace bearing capacity including the strain hardening coefficient and compressive tensile unequal strength coefficient, pointed out American proposed the two coefficients, but did not give a specific value, China’s relevant provisions similar to America, did no difference the strain hardening coefficient and compressive tensile unequal strength coefficient, but as a comprehensive adjustment coefficient for reference.

buckling restrained brace, over strength factor, connected node design

1009-6825(2014)13-0049-02

2014-02-24

毛玉坤(1980- )，男，碩士，工程師； 曲 哲(1983- )，男，副研究員

TU352

A