開孔與開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐設(shè)計方法研究

開孔與開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐設(shè)計方法研究

新型保護(hù)劑的開發(fā)和應(yīng)用1938年，日本開發(fā)了三圍管的抗彎能力支撐，并對其進(jìn)行了研究。根據(jù)三圍管反彎能耗的反復(fù)加載試驗結(jié)果，竹板和成等人對承載能力提高率和塑性變形能的研究，并將abaqus用于元分析。松島直樹等人以增強(qiáng)三圍管和本地電纜的張力棒力學(xué)特性，以及對內(nèi)部和外部彎射管的限制作用進(jìn)行了重復(fù)加載試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，吉野谷等人對三圍管的抗彎能耗支撐的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，連接剛性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有利于提高支撐的標(biāo)準(zhǔn)外部彎曲能力。鄧雪松等人使用ansys軟件對三、截面屈曲的抗彎能耗進(jìn)行了金元分析。周云等人提出了“基于中心單元局部削弱和其他部分加強(qiáng)”的新型抗彎能耗支撐的概念，并提出了兩種新的抗彎能耗支撐方案：“開孔式”和“開槽式”。利用主管的開口或槽法，將屈曲部分和非屈曲部分分隔開來，并對三、四級別的三、四級管道的斷裂能耗進(jìn)行了實驗研究和開元分析[7、8、9、10、11、12、13、14、15]。開孔和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐是性能良好的耗能減震構(gòu)件,因此對開孔和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐設(shè)計方法的研究是有必要的。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范,通過理論分析和有限元模擬,提出開孔與開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的設(shè)計方法,然后通過試驗驗證該設(shè)計方法的正確性。1曲能耗支撐構(gòu)造和核心鋼管開孔和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐是依據(jù)“核心單元局部削弱相當(dāng)于其他部位加強(qiáng)”的新型防屈曲耗能支撐設(shè)計思想設(shè)計而成,開孔式及開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐構(gòu)造和核心鋼管如圖1和圖2所示。開孔或開槽的數(shù)量可以為1個,也可以為多個。這兩種防屈曲耗能支撐具有以下性能優(yōu)點[7,8,9,10,11,12,13,14,15]:①根據(jù)“強(qiáng)”與“弱”的相對性,核心單元局部削弱相當(dāng)于其他部位加強(qiáng),即核心單元通過開孔或開槽使核心單元的薄弱部位由端部轉(zhuǎn)移到開孔或開槽部位,避免了支撐端部加強(qiáng)工序;②核心單元的屈服首先發(fā)生在局部削弱部位,故支撐具有“定點屈服”的功能,這比較有利于核心單元的設(shè)計。2支持設(shè)計方法2.1支撐臂的設(shè)計2.1.1屈曲支撐的設(shè)計設(shè)計承載力用于驗算結(jié)構(gòu)在小震作用下的支撐是否處于彈性狀態(tài)。支撐的軸力小于支撐的設(shè)計承載力說明支撐處于彈性狀態(tài),因此設(shè)計承載力可以初步驗算選擇支撐的合理性?？紤]到鋼材供應(yīng)的公差、鋼材屈服點的離散,以及實際存在的摩擦、泊松效應(yīng)、包辛格效應(yīng)等因素的影響,防屈曲支撐的設(shè)計承載力應(yīng)留有一定的安全儲備。美國規(guī)范建議防屈曲耗能支撐的設(shè)計承載力取用核心單元全截面屈服荷載值的0.9倍:Pd=?Py(1)式中:Py為核心單元的屈服承載力;?為安全系數(shù),?=0.9。我國GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對鋼材的設(shè)計指標(biāo)規(guī)定,鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值=鋼材的屈服強(qiáng)度/抗力分項系數(shù),鋼材抗力分項系數(shù)對于Q235級鋼材取γR=1.087,對于Q345級鋼材取γR=1.111,大致相當(dāng)于1/0.9的水平。因此,結(jié)合式(1)防屈曲耗能支撐設(shè)計承載力可取為:Pd=Acf(2)式中:Ac為核心單元耗能段的截面積;f為核心單元的強(qiáng)度設(shè)計值,對于Q235級鋼材,f=215MPa。在風(fēng)荷載或小震與其他靜力荷載組合下最大拉壓軸力設(shè)計值F應(yīng)滿足下式要求:F≤Pd(3)2.1.2核心鋼管屈服強(qiáng)度的確定屈服承載力用于結(jié)構(gòu)的彈塑性分析,是支撐首次進(jìn)入屈服耗能時的軸向力。開孔式和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的屈服承載力按下式計算:Py=A1fy(4)式中:fy為核心鋼管的屈服強(qiáng)度;A1為開孔或開槽部位的凈截面積。當(dāng)開孔或開槽部位削弱面積小于20%的非開孔或開槽部位的截面積時,支撐的屈服承載力偏安全地取核心鋼管的屈服強(qiáng)度與非開孔或開槽部位截面積的乘積,即:Py=Afy(5)式中:A為核心鋼管非開孔或開槽部位的截面積;fy為核心鋼管的屈服強(qiáng)度。2.1.3下拉壓屈服分析極限承載力是用于防屈曲耗能支撐的節(jié)點及連接設(shè)計。防屈曲耗能支撐的芯材在地震作用下拉壓屈服會產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng),考慮應(yīng)變強(qiáng)化后的最大承載力為支撐的極限承載力,可按式(6)計算:Pu=βΩhPy(6)式中:β為受壓承載力調(diào)整系數(shù),對于Q235級鋼材,取β=1.6;Ωh為鋼材強(qiáng)化系數(shù),對于Q235級鋼材,取Ωh=1.15。2.2主管夾和內(nèi)管夾的設(shè)計2.2.1孔長和槽長的確定開孔式和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐與普通三重鋼管防屈曲耗能支撐相類似,開孔式和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的核心鋼管也應(yīng)滿足一定的徑厚比要求,根據(jù)有限元分析的結(jié)果,核心鋼管的徑厚比應(yīng)不大于22?？讓捇虿凵畹拇_定既要滿足支撐能夠降低屈服點又要避免因屈服點降低過多導(dǎo)致支撐的剛度下降。根據(jù)有限元分析的結(jié)果,屈服力降低或者截面積削弱宜控制在20%以內(nèi)?？组L或槽長的確定必須保證開孔或開槽部分的屈服先于屈曲,因此孔長或槽長應(yīng)滿足:π2EIl2>γPy(7)π2EΙl2>γΡy(7)式中:E為彈性模量;I為開孔或開槽部位繞弱軸的慣性矩:對于開孔支撐,按式(8)計算,式中符號意義如圖3所示;對于開槽支撐,按式(9)計算,式中符號意義如圖4所示;l為孔長或槽長;γ為調(diào)整系數(shù),取γ=2;Py為開孔或開槽部位的屈服荷載,對于開孔支撐,Py=fyA0,A0為1/4倍的開孔部位凈截面積(圖3),A0=1/4π(R2-r2)-bδ,b為孔寬;對于開槽支撐,Py=fyA0,A0為開槽部位的凈截面積(圖4),A0=π[(R-s)2-r2],s為槽深;fy為核心鋼管的屈服強(qiáng)度。I≈δ(2D?δ)38(θ+sinθcosθ?2sin2θθ)(8)Ι≈δ(2D-δ)38(θ+sinθcosθ-2sin2θθ)(8)I=π4[(R?s)4?r4](9)Ι=π4[(R-s)4-r4](9)式中:D=R-b/2。當(dāng)孔寬或槽深確定時,EI與Py為已知量,根據(jù)式(10)便可以確定孔長或槽長:l<π2EIγPy????√(10)l<π2EΙγΡy(10)2.2.2內(nèi)鋼管和外鋼管彈性模量為保證開孔式或開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐在地震作用下不發(fā)生整體屈曲,通過有限元和理論分析,支撐的約束比應(yīng)滿足ζ≥2,即內(nèi)外鋼管的抗彎剛度應(yīng)滿足式(11)或式(12)要求:π2E(Ii+I0)(μL)2≥2Py(11)π2E(Ιi+Ι0)(μL)2≥2Ρy(11)或:Ii+I0≥2Py(μL)2π2E(12)Ιi+Ι0≥2Ρy(μL)2π2E(12)式中:E為內(nèi)鋼管和外鋼管的彈性模量;Ii、Io分別為內(nèi)鋼管和外鋼管的抗彎剛度;μL為支撐的等效長度,鉸接時μ=1,剛接時μ=0.5,其他邊界條件按具體情況取值,取值范圍在0.5和1之間;Py為核心鋼管的屈服荷載。2.3極限承載力pu與開孔式或開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐相連的節(jié)點承載力應(yīng)大于開孔式或開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的極限承載力Pu,以保證節(jié)點能夠承受罕遇地震下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)力。防屈曲耗能支撐安裝于建筑結(jié)構(gòu)中可以采用螺栓連接,也可以采用焊接連接。2.3.1規(guī)范中抗滑移系數(shù)u螺栓的連接應(yīng)保證與防屈曲耗能支撐相連的節(jié)點在罕遇地震作用下不發(fā)生滑移,支撐主要承受動力荷載作用,因此宜選用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接。摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量n可由式(13)確定,計算中安全系數(shù)取1.2。n≥1.2Pu0.9nfuP(13)n≥1.2Ρu0.9nfuΡ(13)式中:nf為傳力摩擦面數(shù)目,單剪時,nf=1;雙剪時,nf=2;P為一個高強(qiáng)度螺栓的力,按GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中表7.2.2-2采用;u為摩擦面抗滑移系數(shù),按GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中表7.2.2-1采用。螺栓的連接如螺栓中心間距與螺栓中心至構(gòu)件邊緣最小容許距離應(yīng)滿足一定的構(gòu)造要求。采用螺栓連接時,支撐的連接段的截面積被螺栓孔削弱,因此應(yīng)驗算連接段危險截面是否滿足要求。2.3.2螺栓連接的運(yùn)用開孔式和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的鋼管與端板的連接需要焊接,或者對于極限承載力較大的支撐,如果節(jié)點采用螺栓連接,所需的螺栓數(shù)量比較多,使得節(jié)點所需連接段較長,此時節(jié)點可采用焊接連接。焊接連接宜采用對接焊縫,且節(jié)點鋼材強(qiáng)度設(shè)計值不應(yīng)低于支撐與節(jié)點相連端鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值,焊接連接的承載力Pf應(yīng)滿足式(14)要求:Pf≥1.2Pu(14)2.4選擇合適的鋼管類型開孔式和開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐的設(shè)計流程如下:(1)首先選用鋼材級別,支撐的核心鋼管宜優(yōu)先采用低屈服點鋼材,且應(yīng)具有工作溫度條件下的沖擊韌性合格保證,核心鋼管部分不允許有接頭。(2)根據(jù)支撐的屈服荷載確定核心鋼管的橫截面積。(3)結(jié)合核心鋼管的徑厚比要求選用合適的鋼管類型。(4)確定核心鋼管。若采用開孔式支撐,則確定開孔的寬度與長度,并確定開孔的排數(shù),一般情況下孔寬取5～10mm,孔長取100mm;若采用開槽式支撐,則確定開槽的深度和長度,并確定開槽的個數(shù),一般情況下槽深取鋼管壁厚的10%,槽長取50～100mm;當(dāng)開多排孔或多個槽時,應(yīng)保證每一個孔或槽的尺寸相同。(5)確定支撐的間隙,一般情況下,間隙取1～2mm。(6)結(jié)合支撐的約束比,根據(jù)式(12)確定內(nèi)外鋼管的剛度,根據(jù)鋼管的剛度選擇合適的內(nèi)外鋼管型號。(7)根據(jù)支撐的極限承載力計算支撐連接段的厚度與寬度。(8)根據(jù)式(13)計算螺栓孔的直徑與個數(shù)并確定連接段的長度。(9)驗算連接段危險截面是否滿足要求。(10)確定支撐的長度和剛度。(11)確定支撐的屈服位移。3核心單元長度的選擇根據(jù)以上確定的設(shè)計方法,分別設(shè)計了一開孔式和一開槽式三重鋼管防屈曲耗能支撐試件,設(shè)計參數(shù)如表1所示,開孔式試件的核心鋼管的開孔尺寸為100mm(孔長)×6mm(孔寬),開槽式試件開槽的尺寸為6mm(槽長)×0.5mm(槽深),開孔與開槽部位均在核心鋼管中間。試驗加載裝置圖見圖5所示。試驗加載制度采用支撐變形幅值逐步增大的位移控制加載,試驗加載幅值分別對應(yīng)于1/600(5mm)、1/300(10mm)、1/200(16mm)、1/150(22mm)、1/100(32mm)、1/75(43mm)、1/50(64mm)倍支撐核心單元長度,同一幅值進(jìn)行拉伸和壓縮往復(fù)各兩次變形(開槽式支撐未進(jìn)行1/75(43mm)幅值加載。在試驗中,開孔式和開槽式支撐試件在加載到位移幅值為1/50支撐長度的第一加載圈時,均表現(xiàn)出了良好的工作性能,試驗所得的滯回曲線飽滿、規(guī)律性和對稱性好;在相同的位移幅值下,滯回圈基本重合;在加載過程中,隨著位移的增加支撐軸力穩(wěn)定增長;試驗中支撐均未出現(xiàn)剛度突變或退化現(xiàn)象。在加載幅值為1/50支撐長度的第二加載圈中,兩個支撐試件均出現(xiàn)了不同的破壞,其中開孔式支撐試件核心鋼管端部發(fā)生局部屈曲,開槽支撐試件整體屈曲。試件雖然發(fā)生破壞,但已滿足罕遇地震作用下建筑結(jié)構(gòu)1/50的樓層位移變形要求。試驗結(jié)束后所得出的滯回曲線如圖6所示。從圖6中可看出,試件的滯回曲線飽滿,最后一圈時,開孔式試件因核心鋼管的端部發(fā)生局部屈曲,開槽式支撐發(fā)生整體屈曲,故支撐的承載力下降。試驗結(jié)果表明,