屈曲约束支撑设计手册 第四版

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框架筒体结构:
在框架筒体结构体系中,主要抗侧力体系为核心筒,如果核心筒偏置,通常会导致结 构刚心和质心距离较大,结构扭转效应明显。采用屈曲约束支撑后能有效增大结构扭转刚度, 同时提高结构耗能能力,起到阻尼器的作用。
三林体育中心训练馆为钢筋混凝土核心筒-钢筋混凝土框架结构体系,混凝土核心筒完 全布置在结构的一侧,因而在偏离核心筒的两个角部设置 TJ 屈曲约束支撑来增强结构的抗 扭刚度,并且增加结构的耗能能力。与设置普通支撑的方案相比,屈曲约束支撑外观尺寸减 小了一半,结构地震作用减小了 8%。
中震不坏
TJ 屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力,在中震下率先屈服耗能,可起到结 构“保险丝”的作用,保护梁柱等重要的主体结构在中震下不屈服。此外,对于 一般的中震情况,屈曲约束支撑产生的塑性变形并不大,经过检查后大部分可以 继续使用。
TJ 屈曲约束支撑设计手册
大震易修
TJ 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,比同类结构抵御大震的能力更强,使结构真正做到了 大震安全。大震后对于发生较大屈服变形的 TJ 屈曲约束支撑也可以方便地更换, 不影响建筑使用。而传统的梁端塑性铰耗能破坏,损坏部分的梁拆除时,需要大 面积临时支撑楼板或拆除楼板,极大地影响建筑使用。
状态
小震 中震 大震 中、大震后
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
弹性
弹性
弹性
弹性
弹性或塑性 弹性或屈曲
弹性
塑性(耗能)
塑性
屈曲
弹性或塑性
塑性(耗能)
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:
Nb
=
ϕAf 1 + 0.35λn
式中: ϕ —轴心受压构件的稳定系数;
(1-1)
A —支撑的截面面积; f —支撑材料强度设计值。
( ) λn —支撑的正则化长细比, λn =
λ π
fay ; E
兰州云天酒店位于兰州,坐落于黄河岸边,建筑表现为伟大 诗人李白的诗句“君不见黄河之水天上来”的意境。建成后将成 为兰州最高的建筑。结构体系为钢筋混凝土核心筒-钢框架混合 结构。由于核心筒不能布置在结构的质心位置,导致扭转效应明 显。采用 TJ 屈曲约束支撑后,不仅增加了结构抗扭刚度,使结构 抗扭刚度以及扭转位移比都满足设计要求,同时减少了结构用钢 量,增强了结构耗能能力,减小了罕遇地震下的结构位移反应。
品,起到了大幅降低结构用钢量的良好经济效果。 山西宾利国际商务公寓位于太原市小店区,东临
人民路,南临先锋街。由两栋百米的双塔构成,建筑 造型中西合璧,具有鲜明的时代特征;建筑结构采用 钢框撑架结构形式,建成后成为山西省第一座高层钢 结构的标志性建筑。由于太原市为八度设防,所以在 核心筒部分的钢支撑中采用 54 根 TJ 屈曲约束支撑, 一方面起到了抗侧刚度的作用,另一方面使结构在大 震下具有良好的耗能能力,增强了结构抗震性能。 TJ
TJ 屈曲约束支撑设计手册
状态。
结构加固:
在国外,屈曲约束支撑在结构加固中已经得到了大量使用。上海恒丰中学、山东郯城县
医院、上海金融学院结构加固采用了 TJ 屈曲约束支撑。不仅减少了加固的工程量,降低了
造价,且提高了结构设防等级,增强了结构耗能能力。 上海市恒丰中学教学楼建于十多年前,
为混凝土框架结构体系。由于学校规模的发 展,现有的教室数量已不满足需求,因而需 要在现有的5层基础上再增加一层。汶川地 震后,要求学校教学楼建筑应提高安全等 级。根据该要求,恒丰中学教学楼抗震设防 烈度由7度(0.10g)提高至7度(0.15g),框 架抗震等级提高至二级。采用屈曲约束支撑 抗震加固后提高了结构的抗侧刚度、承载力 和结构耗能能力,且缩短了工期,节约了加
第四版设计手册
T J屈 曲 约 束 支 撑
同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室 主编
上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司
TJ 屈曲约束支撑设计手册
刊首语
TJ 屈曲约束支撑 = “小震经济、中震不坏、大震易修、余震不倒”
结构抗震设防的三原则:“小震不坏、中震可修、大震不倒”。采用 TJ 屈曲 约束支撑设防后,可以使建筑结构抗震性能更上一层楼,全面实现:
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பைடு நூலகம்,可以方便地更换损坏的支撑。 z 减小相邻构件受力
当支撑为人字形或 V 字型布置时,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。
TJ 屈曲约束支撑设计手册
上海市防震减灾中心大楼共 10 层,地下 1 层, 地上 9 层,为混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系。 由于该楼为上海市震后抗震减灾指挥中心,其抗震 设防等级高于上海市标准,按 8 度抗震设防。作为 结构主要抗侧力体系和第一道抗震防线设置的 TJ 屈 曲约束支撑在小震下为结构提供抗侧刚度,在罕遇 地震作用下率先进入屈服耗能,吸收地震输入结构 的能量,保护混凝土框架梁、柱不受地震作用发生 破坏。全楼共设置 75 根屈曲约束支撑,屈服承载力 分别为 800kN 和 1300kN。
大跨结构:
大型场馆、工业厂房建筑,在短轴方向往往是由平面桁架或 平面刚架构成,而在长轴方向设置支撑提供结构抗侧刚度,传递地震力等其他水平力,支撑
杆件为结构中重要构件,设置屈曲 约束支撑不仅可以提高结构抗震能 力,还能减小支撑的外观尺寸。
东方体育中心综合馆采用圆钢 管拱桁架结构体系,在结构纵向设 置屈曲约束支撑提高结构的抗震性 能,与普通钢支撑相比,采用屈曲 约束支撑后结构在大震下的位移减小了 30%,且拱桁架的主体钢构件在大震下都保持弹性
图 1. 2 普通支撑试验滞回曲线 为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题,在支撑外部设置套管,约束支撑的受 压屈曲,构成屈曲约束支撑(参见图 1.3)。
图 1. 3 屈曲约束支撑构成原理图 1
TJ 屈曲约束支撑设计手册
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(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)。
级的要求。
固成本。使结构满足了提高一级抗震设防等
上海金融学院图文展示
中心和院系办公楼均由仓库
改建而成。经计算发现原结构
抗侧刚度和抗扭刚度均不满
足规范要求。为了提高结构在
小震作用下的抗侧刚度和抗
扭刚度,同时满足现行《抗震
规范》的要求,在原结构的关
键部位设置了 TJ 屈曲约束支撑。
结构水平荷载
TJ 屈曲约束支撑设计手册
第一章 绪论
1.1 基本原理
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。
支撑体系 非支撑体系 结构水平位移
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,当支撑受压屈曲后,刚度和承载力急剧降低。在 地震或风的作用下,支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐 变至受拉状态时,支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能 较差(参见图 1.2)。
TJ 屈曲约束支撑设计手册
屈曲约束支撑的应用极大地提高了高烈度设防地区的建筑抗震能力。 阿富汗 Marriott 五星级酒店位于阿富汗
首都喀布尔,地下一层,地上 6 层,采用了 屈曲约束支撑框架结构体系,按照美国规范 设计。采用 TJ 屈曲约束支撑比采用普通钢 结构支撑能使结构地震作用降低 30%,节省 了 15%的用钢量。
产品部分应用实例:
钢框架支撑结构:
上海世博中心为中国 2010 年世博会四大永久场馆之一,总 建筑面积约 14 万平方米,其中 地上建筑面积 10 万平方米,地 下室建筑面积 4.2 万平方米,地 上建筑由两个单体组成,西侧为 会展区,东侧为会议区。会展区南北长约 90 米,东西长约 162 米,地下 1 层,地上 7 层, 屋面高度约 39 米。结构采用 8 度设防,在结构关键部位采用 108 根 TJ 屈曲约束支撑构件产
余震不倒
随着建筑物重要性的提高,部分建筑不仅要实现大震不倒的基本要求,还需 要在地震后的余震中不会倒塌。通过合理布置 TJ 屈曲约束支撑,保护了主体结 构不产生过大塑性变形,从而保证竖向承重构件不会在余震中倒塌,建筑物就能 实现“余震不倒”的效果,避免发生新西兰地震中的破坏。
产品分类:
屈曲约束支撑产品包括耗能型屈曲约束支撑、承载型屈曲约束支撑及屈曲约 束支撑型阻尼器三种。本手册主要介绍耗能型和承载型屈曲约束支撑的设计方 法,阻尼器详见附录。
小震经济
TJ 屈曲约束支撑由于没有受压稳定问题,其在风载与小震下构件承载能力 比普通支撑提高 2-10 倍,支撑构件越长其承载能力提高越多。相同承载力条件 下与普通支撑相比,其截面可大大减小,所以结构的抗侧刚度变柔,周期相应加 大。
根据上图的反应谱曲线可以看出,结构周期加长,其地震反应就减小,周 期由中心支撑方案 1 点增加到屈曲约束支撑方案 2 点,地震反应加速度有很大的 降低;采用屈曲约束支撑方案后各阶周期都有增加,所以各阶振型的地震反应都 减小,减小幅度一般为 10-25%。如果结构由地震工况控制,地震作用减小后, 所有构件截面都可以减小,一般可降低结构整体造价 10-30%。
λ —支撑长细比; fay —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:
Nb = 0.9 A1 f y
(1-2)
式中: A1 ——约束屈服段的钢材截面面积; f y ——芯板钢材的屈服强度标准值。
z 延性与滞回性能好
2
TJ 屈曲约束支撑设计手册
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。 z 保护主体结构
混凝土框架支撑结构:
大量工程实践表明,总层数为 6-12 层的混凝土结构,通长需要增加抗侧力构件,如果 设置混凝土剪力墙,会使结构过刚,增加结构配筋,基础费用增加,结构耗能能力较差。通 过设置屈曲约束支撑的方法能够使结构刚度合理,既满足变形要求,又不增加配筋,且提高 施工速度。
虹桥综合交通枢纽公共事务中心公共 服务中心大楼位于上海市虹桥交通枢纽西 交通中心西南角,总建筑面积约 28400m2, 其中地下 2 层、地上 8 层,工程采用混凝土 框架屈曲约束支撑结构体系,在六、七、八 层及屋面层设有连体结构,连体部分采用钢 结构,和塔楼间采用强连接。在适当的位置 设置 TJ 屈曲约束支撑,来避免刚度中心与 质量中心之间存在过大的偏心,减少结构地震扭转效应。保证了在地震作用下屈曲约束支撑 先屈服耗能,使得整体结构在有足够抗侧刚度的同时又有较好的延性。 山西图书馆位于太原市,为平面不规则结构,需要采取支撑增大结构的抗扭刚度,且宜 增设耗能构件。在结构初步设计中采用了混凝土支撑的形式。混凝土支撑耗能能力差,且在 大震作用下由于混凝土的开裂破坏,支撑将失效,结构扭转严重,安全性能降低。在初始方 案中,整体结构的主要耗能部件为混凝土梁柱,震后修复将极为困难。采用 TJ 屈曲约束支 撑后,结构耗能能力和延性性能 都能得到较大的提高。在弹性阶 段,支撑同样能起到混凝土支撑 的作用,提高结构抗扭刚度。在 大震作用下,支撑耗能,减小主 体框架的损伤,起到“保险丝” 的作用。
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