防屈曲支撑设计TJBRB-Designbook

防屈曲支撑设计

TJ型屈曲约束支撑设计手册

目 录

1. 产品概念与优点............................................................1

1.1产品概念.........................................................1 1.2产品优点.........................................................2

2.产品性能与验收要求.........................................................3

2.1芯板材性.........................................................3 2.2产品性能.........................................................4 2.3产品验收.........................................................6

3.产品应用设计...............................................................7

3.1支撑布置.............................................................7 3.2支撑承载力...........................................................7

3.2.1设计承载力.....................................................8 3.2.2屈服承载力.....................................................8 3.2.3极限承载力.....................................................9 3.3支撑设计要求.........................................................9

3.3.1风载与小震下承载力要求.........................................9 3.3.2 支撑外套筒抗弯刚度要求........................................10 3.4 支撑节点设计要求....................................................10

3.4.1螺栓连接......................................................10 3.4.2焊接连接......................................................11 3.5支撑弹塑性滞回模型..................................................11 4. 产品设计示例.............................................................12

4.1布置与产品选用......................................................12 4.2弹性构件验算........................................................13 4.3弹性设计与普通支撑对比..............................................13 4.4节点设计............................................................13 4.5弹塑性分析..........................................................14 附录一：产品选用表格........................................................19

1．支撑型号定义.........................................................19 2．产品标准表格.........................................................19

2.1 TJⅠ型产品标准表格..............................................19 2.2 TJⅡ型产品标准表格..............................................34

附录二：屈曲约束支撑的应用实例..............................................44

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1. 产品概念与优点

1.1产品概念

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。

结构水平荷载

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，在地震力反复作用下滞回性能很差(参见图1-2)。

图1-2普通支撑试验滞回曲线

在支撑外部套管，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

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屈曲约束支撑受拉与受压均能进入屈服，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

传统支撑框架

主体结构

小震 中震 大震 中、大震后

弹性 弹性或塑性 塑性

普通支撑 弹性 弹性或屈曲 屈曲

主体结构 弹性 弹性 弹性或塑性

屈曲约束支撑

弹性 塑性（耗能） 塑性（耗能）

屈曲约束支撑框架

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=

式中：

Af

1+0.35λn

（1-1）

—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。

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λn—支撑的正则化长细比，λn=(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=Af （1-2）

式中：A—屈曲约束支撑芯材截面面积； f—屈曲约束支撑芯材强度设计值。 z 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。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，可用于结构抵御大震。 z 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，可以方便地更换损坏的支撑。 z 减小相邻构件受力

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。

2.产品性能与验收要求

2.1芯板材性

芯板材料共有两大系列，分别是低屈服点钢系列和低碳钢系列。屈曲约束支撑并不要求一定采用低屈服点钢材，只要材料性能满足要求，即可达到屈曲约束支撑基本的性能需求。芯板材料性能要求为：

1）强屈比不应小于1.2； 2）伸长率应大于25%；

3）应具有0°C下27J冲击功韧性。

国产低碳钢Q235、Q195钢材和低屈服点钢材BLY160、BLY225均能达到上述要求。 低屈服点钢是一种新的钢种，其主要特点是屈服点稳定，其波动范围一般控制在

±20MPa的范围内，此外具有更好的延伸率。低屈服点钢材常见型号屈服点强度为160 MPa、

225 MPa两种。国产低屈服点钢板（如图2-1）的材料力学性能见表2-1。

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图2-1 宝钢低屈服点钢材产品图样

表2-1 BLY160和 BLY225钢板力学性能

板厚

屈服强度Rp0.2,MPa

抗拉强度 Rm,MPa

屈强比 YR,%

伸长率 A50mm,% ≥45

0℃冲击功Akv,J ≥27

规定值≤80

BLY160

、、、、、282 规定值≤80

≥40 45、 47

≥27 45 、51

BLY225 30 mm 216 -219 311-307 70 -72

55 45 、、252

2.2产品性能

图2-2 TJ型屈曲约束支撑产品实物图

TJ型屈曲约束支撑产品目前有TJI型与TJⅡ型两个型号，都由同济大学多高层钢结构与钢结构抗火研究室研制，是国内首个实现产业化的国产屈曲约束支撑产品（如图2-2）。其中，TJI型屈曲约束支撑的约束套筒采用方型或矩形钢管，套筒与芯板之间无填充材料，

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通过特殊的加劲肋设计实现对芯板约束屈服段的约束效应；TJⅡ型屈曲约束支撑约束套筒采用方形钢管，套筒与芯板之间采用填充材料实现对芯板的屈曲约束作用。

大量实验证明，TJI型与TJⅡ型屈曲约束支撑的产品性能，均满足A级和B级产品性能要求（图2-3、表2-2）。

(a) Q160国产低屈服点钢芯板 (c) Q225国产低屈服点钢 (d) Q235国产低碳钢芯板

图2-3 TJI型屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线

图

图2-5 新日铁屈曲约束支撑轴力与轴向变形滞回曲线

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表2-2 TJ型屈曲约束支撑产品试验结果对比表

屈服

芯板

序号

材料

1

BLY160

承载力 (t) 121

对变形

移角

1/80

1/40

最大相

层间位

拉力 (t) 256

压力 (t) 281

强化系数2.12

相当于

最大

最大

应变

屈服位移 Dy (mm) 1.45 2.00

累计塑性变形(× Dy) 842 46新日铁

9.07

同新日铁屈曲约束支撑产品对比，TJI型与TJⅡ型屈曲约束支撑在性能与新日铁产品性能（图2-5）相当，并具有很好的稳定性。

2.3产品验收

结合中国《建筑抗震设计规范GB50011》要求，应对产品进行验证。验证方法如下： 产品性能验收要求为依次在1/300、1/200、 1/150、1/100支撑长度的拉伸和压缩往复各3次变形下，支撑应有稳定、饱满的滞回曲线，且累积塑性变形大于200倍的实测初始塑性变形 y。其中 y按下式确定：

y=

FyEAe

l （2-1）

式中： E—钢材弹性模量； Ae—支撑等效截面积; l—支撑长度； Fy—第一次加载到位移为1/300时对应的加载力；

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3.产品应用设计

屈曲约束支撑框架体系与普通支撑框架体系的设计方法有相同点，也有不同点，不同点列于下表：

表3-1屈曲约束支撑设计特点

设计项目 支撑布置 构件验算 节点设计 弹塑性时程分析

普通支撑框架 可选用X型支撑布置 小震和风荷载下进行需要进行

稳定承载力验算

根据结构内力最不利组合值设计 应采用拉压不对称滞回模型

屈曲约束支撑框架 不可选用X型支撑布置

小震和风荷载下只进行强度验算，产品本身已

满足稳定性要求 根据支撑极限承载力设计 可采用简单双线型滞回模型

3.1支撑布置

屈曲约束支撑应布置在能最大限度地发挥其耗能作用的部位，同时不影响建筑功能与布置，并满足结构整体受力的需要。屈曲约束支撑可依照以下原则进行布置：

（1）地震作用下产生较大支撑内力的部位，一般为结构底部几层。 （2）地震作用下层间位移较大的楼层。 （3）宜自上而下连续布置。

（4）宜沿结构两个主轴方向分别设置。

（5）采用单斜撑或人字型支撑布置（如图3-1）。

图3-1 屈曲约束支撑布置

3.2支撑承载力

屈曲约束支撑有三种承载力，即设计承载力、屈服承载力、极限承载力，在结构设计中

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适用于不同的情况。TJI型和TJⅡ型屈曲约束支撑系列产品的设计承载力、屈服承载力和极限承载力数值见附录一，设计人员可直接选用。

3.2.1设计承载力

设计承载力是弹性承载力，用于静力荷载与小震分析设计验算，一般情况下先估计一个支撑吨位与确定支撑芯板材料，然后用附录一表可以查到对应支撑构件中的等效截面面积Ae，定义一个截面为Ae的二力杆进行整体弹性分析，对于支撑构件本身的验算采用轴力包络最大值与支撑的设计承载力（附录一表中可以查）进行比较，小于支撑的设计承载力就为弹性合格；支撑的设计承载力是按下式计算得到的：

Nb=Af （3-1） 式中： A—屈曲约束支撑芯材截面面积；

f—芯材强度设计值，按照表3-2确定。

表3-2 芯板钢材强度设计值 芯材型号

f（MPa）

3.2.2屈服承载力

屈服承载力（附录一表中可以查）用于结构的弹塑性分析，为支撑首次进入屈服的轴向力，是按下式计算得到的：

Nby=Afy （3-2）

式中： A—屈曲约束支撑芯材截面面积；

fy—芯材屈服强度，按照表3-3确定。

表3-3 芯板钢材的屈服强度 材料型号

fy(MPa)

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3.2.3极限承载力

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：

Nbu=RyωNby （3-3）

式中： Ry—芯板钢材的超强系数，根据表3-4确定；

ω—应变强化调整系数，根据表3-5确定； Nby—屈曲约束支撑屈服承载力。

极限承载力用于屈曲约束支撑的节点及连接设计。

表3-4芯板钢材的超强系数Ry 材料型号

Ry

表3-5 芯板钢材的应变强化调整系数 材料型号

ω

3.3支撑设计要求

3.3.1风载与小震下承载力要求

屈曲约束支撑在风载或小震与其它静力荷载组合下最大拉压轴力设计值N应满足下式要求： N≤Nb （3-4）

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3.3.2 支撑外套筒抗弯刚度要求

为保证屈曲约束支撑在地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：

π2EI

l2

≥1.8Nbu （3-5）

1.8Nbul2或： I≥ （3-6） 2

πE

式中：I—屈曲约束支撑套筒的弱轴惯性矩； E—套筒钢材弹性模量；

l—支撑长度； Nbu—屈曲约束支撑的极限承载力。

TJI型和TJⅡ型屈曲约束支撑系列产品，在产品设计时已经满足了整体稳定性的要求，如选用TJI型和TJⅡ型屈曲约束支撑产品，则不需要进行上述验算。

3.4 支撑节点设计要求

与屈曲约束支撑相连的节点承载力应大于屈曲约束支撑的极限承载力，以保证节点足以承受罕遇地震下可能产生的最大内力。

3.4.1螺栓连接

应保证与屈曲约束支撑相连节点在罕遇地震下不发生滑移，其连接高强度摩擦型螺栓的数量n可由下式确定：

n≥

1.2Nbu

（3-7）

0.9nfµP

式中：nf—传力摩擦面数目；µ—摩擦面的抗滑移系数(表3-6)；P—每个高强螺栓的预拉力(表3-7)。

表3-6 摩擦面的抗滑移系数µ值

连接处构件表面的处理方法 喷砂（丸）

构件的钢号

表3-7 每个高强度螺栓预拉力P值（kN）

螺栓公称直径（ｍｍ）

螺栓性能等级

8.8级

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10.9级 3.4.2焊接连接

对于极限承载力较大的屈曲约束支撑，如节点采用螺栓连接，所需的螺栓数量比较多，使得节点所需连接段较长，此时节点也可采用焊接连接。焊接可采用角焊缝或对接焊缝，焊接连接的承载力Nf应满足下式要求：

Nf≥1.2Nbu （3-8） 当节点与支撑采用对接焊缝连接时，节点钢材强度设计值应不低于屈曲约束与节点相连端钢材的强度设计值。

3.5支撑弹塑性滞回模型

屈曲约束支撑的弹塑性滞回模型用于结构弹塑性地震位移反应计算，可采用如下双线型模型（图3-2）。

图3-2屈曲约束支撑双线性恢复力模型

； 图中：Nby —屈曲约束支撑屈服承载力（可查附录一表得到）； y —屈曲约束支撑初始塑性变形（可查附录一表得到） k —屈曲约束支撑的刚度，可按照k=

EAe

取值； l

Ae—屈曲约束支撑芯板考虑轴向变刚度后等效截面积； E— 钢材弹性模量。

l—支撑长度； q—芯板钢材的强化系数，可取为1%。

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4. 产品设计示例

本设计示例与第三章所述屈曲约束支撑钢框架设计特点相对应。进行弹性设计时，有限元分析可定义一个特殊截面来模拟屈曲约束支撑，由于支撑只考虑轴向刚度，按等效截面对组合轴力包络最大值与产品列表的设计承载Ae定义截面即可进行弹性分析; 弹性分析后，

力值Nb进行比较就可以了。其中，Ae与Nb在附录一的产品设计表格中可以查到。

4.1布置与产品选用

本平面简化示例选取了一种典型的“中间走廊，两侧房间的框架建筑布局”的边榀结构进行分析比较。结构共8层，楼层高度一层大厅采用4.2米，以上各层都采用3.6米。横向受力框架间距为8.4米，2.5米，8.4米；纵向间距为8.4米，共6榀。结构地震烈度考虑为8度0.2g。

图4-1结构空间模型图

考虑在边跨添加支撑提高结构的抗侧能力, 支撑为纵向主要受力部位，其他跨的附加质量每个框架节点近似考虑100kN, 考虑恒载线载为50kN/m, 活载线载为20kN/m。分别如图4.2-4.3所示。柱截面采用箱型截面400×400×12×12，梁截面采用HN500×200。屈曲约束支撑暂选用TJⅠ-d160屈服吨位为160T的3-5米长度的支撑（见附录一），核心面积Ae为8631mm2，其承载力设计值Nb为1464kN。

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图4-2结构平面模型图 图4-3结构附加质量图

4.2弹性构件验算

经过内力分析与荷载组合，得到底层屈曲约束支撑的轴力包络最大值为1144 kN，远小于TJI-d160承载力设计值1464kN；屈曲约束支撑在选用TJI-d140屈服吨位为140T的3-5米长度的支撑（见附录一），核心面积Ae为7526mm2，其承载力设计值Nb为1280kN。

重新内力分析与荷载组合，得到底层屈曲约束支撑的轴力包络最大值为1120 kN，对应的最不利荷载组合为：1.20D+0.6L+1.3E1。Nmax=1120kN<1280kN 比较接近，确定此选型。屈曲约束支撑产品自身已满足整体稳定性要求，不需要进行稳定验算。

4.3弹性设计与普通支撑对比

采用普通支撑方案，经过试算最小支撑截面为HM390×300，截面面积为13325mm2，为屈曲约束支撑等效核心面积1.8倍，为支撑芯板面积3倍。由于梁截面采用HN500×200截面，300翼緣宽度支撑带来了连接的麻烦。如果采用200宽翼緣的支撑，其截面将更大。

4.4节点设计

确定支撑型号后，查附录一得到其极限承载力，作为节点设计内力。对于TJI-d140屈服吨位为160T的3-5米长度的支撑，其极限承载力为：2576kN。按照第3章介绍方法可进行节点与连接设计或直接根据附录一节点设计表格进行选用。

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4.5弹塑性分析

TJI-d140屈服吨位为140T的3-5米长度的支撑屈服承载力为：1400kN。按照其滞回模型，输入首次屈服力1400kN，初始塑性变形为3.612mm，应变强化系数：1%，按图3-2定义弹塑性模型可进行结构的弹塑性分析。

示例结构弹塑性分析采用选用2类场地的ELCENTRO波按8度0.2g设防考虑。利用MTS的弹塑性模块分别进行屈曲约束支撑方案与普通支撑方案的弹塑性时程分析，加速度峰值分别取中震的200 cm/s2与大震的400cm/s2。

图4-4 ELCENTRO波形图

屈曲约束支撑方案与普通支撑方案弹塑性中震分析主要结果比较

比较项

屈曲约束支撑方案

普通支撑方案

1/263（第六层） 对应第一层1/680

基底剪力最大层间位移（第一层）

对应第六层1/288

最大层间位移

曲线

框架弹塑性状态 支撑弹塑性状态

弹性

下部两层进入塑性耗能

弹性 弹性

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最大楼层剪力

曲线

最不利弹塑性 状态图

最不利层 滞回曲线图

首层支撑 滞回曲线图

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屈曲约束支撑方案与普通支撑方案弹塑性大震分析主要结果比较

比较项

屈曲约束支撑方案

普通支撑方案

1/49（第三层） 对应第一层1/195

基底剪力最大层间位移（第一层）

对应第三层1/211

最大层间位移

曲线

框架弹塑性

状态 支撑弹塑性

状态 最大楼层剪力

曲线

下部六层进入塑性耗能

下部三层进入屈曲

只有一个梁端出铰

梁端,底柱大部分出铰

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最不利塑性状

态图

最不利层滞回曲线图

最不利楼层：第一层

首层支撑滞回曲线图

最不利楼层：第三层

由结构弹塑性分析可以看出，屈曲约束支撑框架在中震时下部两层开始进入屈服耗能阶段，保证了框架结构处于弹性状态，实现了中震不坏。进入大震后，框架结构只是局部梁端出现塑性铰，整体结构体现了很好的大震性能，实现了大震安全与易修。而普通支撑框架在中震时由于规范的长细比控制及内力放大等措施，可以保证支撑中震处于弹性状态，最大弹塑性层间位移比屈曲约束支撑框架方案基本接近；进入大震后，下部三层普通支撑发生屈曲，结构承载力大大降低，结构开始进入严重塑性阶段，大量的框架梁柱开始出现塑性铰，整体结构已经十分不安全，而且大量的梁端与柱端塑性铰也给大震后的修复带来了极大的困难。

此外，由于普通支撑框架刚度大，其中震下基地剪力比屈曲约束支撑框架要大15%左

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右，其大震下基地剪力比屈曲约束支撑框架要大50%左右。此外，在中震时两个结构剪力分布都比较均匀，在大震下屈曲约束支撑框架剪力分布与弹性基本相同；而普通支撑框架由于发生支撑屈曲出现刚度突变，剪力分布有突变，这种变化对结构的大震下性能是十分危险的。

通过以上分析可以看出，普通支撑框架在中震时由于规范的长细比控制及内力放大等措施，中震性能比屈曲约束支撑框架略低但基本相平；但大震下由于部分普通支撑发生屈曲，结构弹塑性性能急剧下降，结构大量出现塑性铰，整体结构已经十分不安全，修复也十分困难。所以，普通支撑框架在大震下性能较差，远远低于屈曲约束支撑框架。此外，通过以上分析可以看出两种框架，由于受力较小，上面2层的支撑都处于弹性状态。实际设计时，可以采用下面6层为屈曲约束支撑、上面2层为普通支撑混合支撑的方案，可以基本得到屈曲约束支撑框架的优良抗震性能。

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附录一：产品选用表格

1．支撑型号定义

产品命名规则如下：

命名形式支撑型号

4

芯板钢材类型

（a,b,c,d分别代表名义屈服应力为160MPa的低屈服点钢，225MPa的低屈服点钢，Q195，Q235）

支撑产品的主要特征指标为：芯板钢材类型、支撑屈服承载力、支撑长度。

2．产品标准表格

2.1 TJⅠ型产品标准表格

TJⅠ型产系列品采用一字型截面，节点统一采用螺栓连接方式。

TJI型支撑成品示意图

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TJI型支撑A类节点

TJI型支撑B类节点

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z9xj.html