钢结构抗震性能设计

第四章抗震性能设计

4.2b 综述适用于钢构件、钢节点、钢连接的几种滞回模型和损伤指数。（重点阐述有关钢结构的内容)

答：

1、滞回模型

（1）钢构件的滞回模型：

a、轴心受力构件

反复荷载作用下轴心受力钢构件滞回模型

b、受弯构件

反复荷载作用下受弯钢构件的滞回模型

c、钢板

反复荷载作用下受弯钢构件板的滞回模型

（2）钢连接的几种滞回模型

线性模型非线性模型

（3）钢节点的滞回性能模型

反复荷载作用下受弯钢节点的几种滞回模型

2、损伤指数综述

为了定量描述结构防止在地震中倒塌的安全度，提出了损伤指数的概念。对结构在其寿命周期内所能承受的地震破坏总量的预测由损伤指数(Damage Index)控制，而损伤指数由刚度、强度和延性确定。对于其中的延性而言，损伤指数分别从构件级别、楼层级别和整体结构级别代表了塑性铰的塑性转动能力。

（1）构件损伤指数

可以由所需塑性转动能力和可提供的塑性主动能力之间的比值计算得出。

a dm I θθ/r

（2）楼层损伤指数

代表了楼层抵御地震破坏的能力：

（3）整体损伤指数

描述整个结构的损伤指数，包括地震作用下的结构整体性能。

4.3c综述屈曲约束支撑(无粘结支撑、防屈曲支撑)的特点、类型、设计要点以及国内外最新研究进展和工程应用现状。答：

1、特点

在普通支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑。屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良。

.屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比

优点：

（1）承载力与刚度分离

普通支撑因需要考虑其自身的稳定性，使截面和支撑刚度过大，从而导致结构的刚度过大，这就间接地造成地震力过大，形成了不可避免的恶性循环。选用防屈曲支撑，即可避免此类现象，在不增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力的要求。

（2）承载力高

抗震设计中，普通支撑和屈曲约束支撑的轴向承载力设计值为：

（3）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，可用于抵抗小震以及风荷载的作用。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，可用于结构抵御强烈地震作用。

（4）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，经核查，可以方便地更换损坏的支撑。

（5）减小相邻构件受力

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。

不足：

在安装屈曲约束支撑的部位，也少不了影响使用空间，影响采光和观瞻。施工中，节点连接处理是个关键，也是个难点，处理不好可能导致屈曲约束支撑起不到耗能的作用。传统屈曲约束支撑存在自重过大、构造复杂、某些部位容易出现应力集中的问题。

各种不同类型的屈曲约束支撑都有各自的专利权, 比如台北县政府大楼改

造和美国盐湖城Bennett联邦大楼抗震加固工程均使用的是日本新日铁公司的产品，均支付了很高的费用.。屈曲约束支撑专利权的存在又在一定程度上制约了它更广泛的使用。

2、类型

（1）承载型屈曲约束支撑：作为承载构件使用，指通过引入屈曲约束机制来提高支撑构件的设计承载力，保证支撑在屈服前不会发生失稳破坏，从而充分发挥钢材强度，称之为“承载型屈曲约束支撑”；

（2）耗能型屈曲约束支撑：作为耗能构件使用，指在弹性阶段利用屈曲约束的原理来提高支撑的设计承载力，在弹塑性阶段利用芯板钢材的拉压屈服滞回来耗能的消能减震结构构件，称之为“耗能型屈曲约束支撑”；

（3）屈曲约束支撑型阻尼器：作为拉压屈服型软钢阻尼器使用，一般控制在小震屈服，称之为“屈曲约束支撑型阻尼器”。

3、设计要点

屈曲约束支撑有三种承载力，即设计承载力、屈服承载力与极限承载力，在结构设计中适用于不同的情况。

（1）设计承载力

屈曲约束支撑的设计承载力是按下式计算得到的：

式中，A一屈曲约束支撑芯材截面面积：f一芯材强度设计值，按照下表确定：

芯板钢材强度设计值

（2）屈服承载力

屈服承载力用于结构的弹塑性分析，为屈曲约束支撑首次进入屈服的轴向力，是按下式计算得到的：

式中，A一屈曲约束支撑芯材截面面积：f y一芯材屈服强度，按照下表确定：

芯板钢材的屈服强度

（3）极限承载力

国家规范中规定的钢材强度为下限，计算屈曲约束支撑极限承载力时应考虑钢材的超强系数，且屈曲约束支撑的芯材在地震作用下拉压屈服会产生应变强化效应，考虑应变强化后，支撑的最大承载力为极限承载力，可按下式计算：

式中，R y一芯板钢材的超强系数，根据下表确定；ω一应变强化调整系数，根据下表确定；N by一屈曲约束支撑屈服承载力。

芯板钢材的超强系数和应变强化调整系数

(4)外套筒抗弯刚度要求

为保证承载型屈曲约束支撑在轴力作用下不发生整体失稳，其套筒抗弯刚度应满足下式要求：

或

式中，I一屈曲约束支撑套筒的弱轴惯性矩；E一套筒钢材弹性模量；l一支撑长度；N by一承载型屈曲约束支撑的屈服承载力。

为保证耗能型屈曲约束支撑在大震作用下不发生整体失稳，其套筒抗弯刚度应满足下式要求：

或

式中，I一屈曲约束支撑套筒的弱轴惯性矩；E一套筒钢材弹性模量；l一支撑长度；N bu—耗能型屈曲约束支撑的极限承载力。

屈曲约束支撑型阻尼器的外套筒抗弯刚度要求可参考耗能型屈曲约束支撑。

(5)连接节点设计

对于高强螺栓型连接节点，应保证与屈曲约束支撑相连节点在地震作用下不发生滑移，其连接高强度摩擦型螺栓的数量珂可由下式确定：