屈曲约束支撑设计手册(第四版)201208

主编同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司第四版设计手册TJ屈曲约束支撑上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司地址：上海市国权路39号财富广场金座1110-1119室电话：021-659784706597648665978377传真：[phone]E-mail:[e-mail]同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室设计技术咨询总经销电话：021-6598297565987381传真：[phone]E-mail:[e-mail]联系人：孙飞飞TJ屈曲约束支撑设计手册刊刊刊刊首首首首语语语语TJTJTJTJ屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑====““““小震经济小震经济小震经济小震经济、、、、中震不坏中震不坏中震不坏中震不坏、、、、大震易修大震易修大震易修大震易修、、、、余震不倒余震不倒余震不倒余震不倒””””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：小震经济小震经济小震经济小震经济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%。中震不坏中震不坏中震不坏中震不坏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大震易修大震易修大震易修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。余震不倒余震不倒余震不倒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：产品分类：产品分类：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。产品部分应用实例：产品部分应用实例：产品部分应用实例：产品部分应用实例：钢框架支撑结构：钢框架支撑结构：钢框架支撑结构：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。TJTJ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。混凝土框架支撑结构：混凝土框架支撑结构：混凝土框架支撑结构：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。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。框架筒体结构：框架筒体结构：框架筒体结构：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%。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。大跨结构：大跨结构：大跨结构：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TJ屈曲约束支撑设计手册状态。结构加固：结构加固：结构加固：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，节约了加固成本。使结构满足了提高一级抗震设防等级的要求。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。TJ屈曲约束支撑设计手册1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。非支撑体系支撑体系结构水平位移结构水平荷载图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)。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TJ屈曲约束支撑设计手册2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)。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状态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小震弹性弹性弹性弹性中震弹性或塑性弹性或屈曲弹性塑性（耗能）大震塑性屈曲弹性或塑性塑性（耗能）中、大震后拆除损坏部分，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：nbAfNλϕ35.01+=（1-1）式中：ϕ—轴心受压构件的稳定系数；A—支撑的截面面积；f—支撑材料强度设计值。nλ—支撑的正则化长细比，()aynfEλλπ=；λ—支撑长细比；ayf—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：10.9byNAf=（1-2）式中：1A——约束屈服段的钢材截面面积；yf——芯板钢材的屈服强度标准值。z延性与滞回性能好TJ屈曲约束支撑设计手册3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