專利名稱：組合熱軋角鋼防壓曲支撐的制作方法
技術領域：
組合熱軋角鋼防壓曲支撐(BRAB)屬于土木工程結構消能減震技術領域，主要用于建筑結構工程、土木結構工程。
背景技術：
當需要增加結構側移剛度、提高結構抗震能力、改善結構抗震性能時可使用防壓曲支撐，并將其安裝在土木工程結構的重要節點之間(圖1)。防壓屈支撐一般由涂有表面隔離材料并設構造間隙的鋼芯、外包鋼管及連接配件組成，鋼芯和外包鋼管之間的空隙內填充水泥砂漿或混凝土(圖1)。鋼芯在工作時僅承擔拉、壓力。表面隔離材料及構造間隙可允許鋼芯在外包材料中伸縮，外包水泥砂漿及鋼管可增加整體穩定，避免鋼芯受壓失穩。鋼芯在屈服前為結構提供側移剛度，在屈服后可消耗地震能量。在反復荷載作用下滯回曲線具有飽滿、規則的特點(圖2)。
目前，一方面，日、美所用防壓曲支撐的鋼芯均為低屈服點鋼材，實際屈服強度低于300MPa，有的甚至低到180MPa。例如，2002年9月，伯克利加州大學(University of California，Berkeley)的Cameron Black，Nicos Makris等人在“Component Testing，Stability Analysis and Characterization ofBuckling-Restrained Unbonded Braces”的文章中，2003年2月，圣迭哥加州大學(University of California，Berkeley)的Steve Merritt，Chia-Ming Uang，GianmarioBenzoni等人在“Subassemblage Testing of Core brace Buckling-Restrained Braces”的文章中提到的所研制的鋼芯材料，實際測試的屈服強度為266-282MPa。日、美的經驗是，只有使用低屈服點材料，才能既使用大截面(實現高剛度)、又能做到早屈服(低屈服承載力)，進而保護主體結構。
然而，由于市場及設計技術等方面的原因，我國鋼材市場尚不能批量提供優質低屈服點鋼材及制品。國家標準規定對低屈服點鋼材的力學性能不作交貨條件(如Q195鋼)。量大面廣的結構用鋼一般為Q235及以上的碳素鋼及強度更高的低合金鋼。實測表明，這些鋼材的實際屈服強度大多高于300MPa。如，哈爾濱工業大學李妍等2006年7月在“防屈曲鋼支撐阻尼器的試驗研究”文章中所述的Q235鋼材的測試強度達到321MPa。如果使用中高屈服點材料制作鋼芯，在實現高剛度/低屈服承載力、高剛度/高屈服承載力等抗震設計所需要的多種性能參數上有困難。
另一方面，日、美普遍使用的防壓曲支撐的鋼芯截面形狀是“一”字形和“十”字形截面。但是，我國大陸建材市場提供的熱軋型材有扁鋼、角鋼、槽鋼、T型鋼(槽鋼冷切割而成)、工字鋼、H型鋼等多種，沒有“十”字型材。如僅使用“一”字型鋼材(扁鋼)制作鋼芯難于滿足實際工程對大剛度、大屈服承載力的需求。除扁鋼外，其它型材要么是截面沒有雙對稱軸，要么難于與節點板連接。若用鋼板焊接制成“十”字形截面，由于長線、深度焊接技術存在溫度應力、殘余變形和材料脆性等問題，在高應力及反復荷載的不利條件下，焊接截面可能在耐低周疲勞上存在問題。
綜上，在我國鋼材市場目前的背景下使用防壓曲支撐，有兩個方面問題亟待解決，一是使用中、高屈服點鋼材的問題，另一個是鋼芯截面形狀的問題。
發明內容
本發明的目的是使用國產量大面廣的熱軋角鋼，通過合理的截面組合形式、制作技術及設計技術制造防壓曲支撐，解決目前國產結構用鋼材屈服強度較高、型材不適用等方面帶來的相關問題。在保證受力性能、抗震性能和降低造價的前提下，使之成為進口防壓曲支撐的替代品。
為達到上述目的，根據中國大陸結構用鋼材市場的供貨情況，優先選用國產Q235鋼替代國外的低屈服點鋼材。使用國產熱軋角鋼進行組合(圖3)，經簡單機械加工制作防壓曲支撐鋼芯，解決鋼芯截面形狀問題。使用工作截面弱化技術，確保防壓曲支撐的屈服發生在工作段(圖4)。通過調整工作段長度實現結構抗震設計的多種需求。
一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐，主要包括涂有表面隔離材料并設構造間隙的鋼芯、外包鋼管，鋼芯和外包鋼管之間的水泥砂漿或混凝土，其特征在于鋼芯截面為由兩個熱軋等邊角鋼對頂組合成的等邊雙角鋼十字型截面、兩個熱軋不等邊角鋼或L型鋼對頂組合成的不等邊雙角鋼十字型截面、兩個熱軋不等邊角鋼或L型鋼等肢邊對邊組合成的不等邊雙角鋼丁字型截面、四個熱軋等邊角鋼對邊組合成的等邊四角鋼十字型截面、四個熱軋不等邊角鋼或L型鋼等肢邊對邊組合成的不等邊四角鋼十字型截面之一。
為了確保防壓曲支撐的屈服發生在工作段，并滿足結構抗震設計的多種需求，所述的鋼芯由屈服強度為300-400MPa碳素結構熱軋角鋼或L型鋼對頂或對邊組合而成；鋼芯工作段與非工作段的截面面積滿足式(1)0.5A1≤Ac≤0.8A1(1)其中Ac鋼芯工作段截面面積，A1鋼芯端部截面面積；并且鋼芯工作段的長度lc滿足式(2)0.4l≤lc≤0.7l(2)其中lc為鋼芯工作段的長度，l為支撐整體長度。
為了保證鋼芯可以自由伸縮，并防止鋼芯發生局部失穩，所述的構造間隙的厚度為鋼芯受壓屈服時橫向變形的1.5-2.5倍。
當鋼芯截面為不等邊雙角鋼或雙L型鋼丁字型截面時(圖6)，由于鋼芯工作段截面和非工作面截面型心不共線，導致非軸向內力存在。為避免這種情況，采取在鋼芯非工作段肢背上焊接附加配件板(圖7)的方法，附加配件板的厚度與鋼芯的厚度相同，長度與鋼芯非工作段長度相同，高度za按式(3)計算Za=1t[t2z*2+2tA0(z0-z*)-tz*]---(3)]]>式中，t為附加配件板厚度；z*為工作段型心高度；A0為角鋼截面面積；Z0為角鋼型心高度。
為了方便制作，可以先采用點焊或端面焊將角鋼對頂或對邊焊接組合成所需截面的鋼芯后，再采用對工作段進行削弱處理或對非工作段進行加強處理的方式，形成弱化工作段。
所述的工作段削弱處理是指對鋼芯的工作段肢尖進行切削，為保證工作段發揮屈服作用、滿足屈服承載力需求并合理用鋼，肢尖的切削尺度c(圖5、6)滿足式(1)的要求，且工作段與非工作段采用過渡弧線或過渡斜直線連接(圖8)。
所述的非工作段加強處理是指用寬度為c1、厚度與腹板厚度相同、長度與鋼芯非工作段長度相同的補強板對鋼芯端部進行焊接加強(圖9)，為保證工作段發揮屈服作用、滿足承載力需求并合理用鋼，補強板寬度c1按下列原則確定①經加強后的鋼芯端部截面面積與工作段截面面積滿足式(1)的要求。
②當鋼芯采用不等邊雙角鋼或雙L型鋼丁字型截面組合形式時，鋼芯端部加強處理后截面型心應與工作段截面型心保持一致，具體按下述方法進行采用等寬度補強板，在鋼芯非工作段范圍內的肢背上方焊接厚度與腹板厚度相等、長度與鋼芯非工作段相等的附加配件板(圖10)，附加配件板高度z’a按與式(3)類似的式(4)確定。
za'=1t[t2z*2+2tA0'(z0'-z*)-tz*]---(4)]]>式中，t為附加配件板厚度；z*為工作段型心高度；A’0為經加強處理后的角鋼截面面積；z’0為經加強處理后角鋼型心高度。
本發明防壓曲支撐的軸向剛度可按式(5)計算Ka=1lcEcAc+ltEcAt+llElAl---(5)]]>式中Ec、El分別為鋼芯和連接鋼材的彈性模量，ll、Al連接段長度、截面積；lt、At過渡段長度、截面積；lc、Ac工作段長度、截面積。
由式(5)可知調整工作段長度/截面積比值(即lc/Ac)可在較大范圍內進行剛度調整。在工作段截面積Ac(取決于抗震設計對屈服承載力的需求并滿足式(1))一定時，為滿足工程設計的剛度要求并保證安裝構造，工作段的長度調整范圍應符合式(6)的要求。
0.4(lc+lt+ll)≤lc≤0.7(lc+lt+ll)(6)其中ll為連接段長度，lt為過渡段長度，lc為工作段長度，三者之和為防壓曲支撐的整體長度l。
本發明的優點和有益效果為1.本發明使用國產量大面廣的碳素鋼熱軋角鋼制作防壓曲支撐，找到了目前國內建筑鋼材市場缺乏的低屈服點鋼材的替代品，使用組合熱軋角鋼經簡單機械加工制作鋼芯的方法，解決了目前國內缺少熱軋十字形截面型鋼的問題。
2.本發明提出的工作段截面弱化技術及相關構造，能保證組合熱軋角鋼防壓曲支撐在反復荷載作用下實現工作段拉/壓屈服，不失穩，從而實現力-位移滯回曲線飽滿、耗能穩定、抗低周疲勞性能好的效果，具有優異的抗震性能，在性能上不低于同類進口產品。
3.通過調整工作段/非工作段長度及面積比，可實現高剛度/低屈服承載力、高剛度/高屈服承載力的不同搭配，組合熱軋角鋼防壓曲支撐產品具備多種規格，滿足工程抗震設計的需求。
4.本發明提供的防壓曲支撐用途廣泛，可在鋼結構、勁性鋼筋混凝土結構、混凝土結構中安裝使用，對新建工程和既有結構加固工程均可使用。
5.制作工藝較簡單，設計、安裝方便，免維護，可更換。可較大幅度地降低結構工程造價。
四
圖1防壓曲支撐的某個(人字形)安裝狀況及一般構造其中1鋼芯；2水泥砂漿或混凝土；3表面隔離材料及構造間隙；4外包鋼管。
圖2防壓曲支撐的軸力-位移試驗曲線。
圖3本發明所用的鋼芯截面形式(a)等邊雙角鋼十字型截面；(b)不等邊或L型雙角鋼丁字型截面；(c)不等邊或L型雙角鋼十字型截面；(d)等邊四角鋼十字型截面；其中1鋼芯；2水泥砂漿或混凝土；3表面隔離材料及構造間隙；4方形鋼管或圓形鋼管；5附加配件板。
圖4防壓曲支撐的工作分段其中(1)工作段；(2)過渡段；(3)連接段；(4)非工作段；ll連接段長度；lt過渡段長度；lc工作段長度，l防壓曲支撐整體長度。
圖5十字雙角鋼防壓曲支撐構造其中c肢尖的切削尺度。
圖6丁字雙角鋼防壓曲支撐構造其中5附加配件板；Z*鋼芯工作截面型心高度；Za附加配件板高度。
圖7工作截面切削后保證截面型心一致性的附加配件板高度其中z0角鋼截面型心高度；y0角鋼截面型心軸；y鋼芯工作截面型心軸；z*鋼芯工作截面型心高度；t附加配件板厚度＝鋼芯厚度。
圖8過渡段的兩種連接方式其中(a)過渡弧線；(b)過渡斜直線圖9將角鋼在端部補強形成薄弱工作段圖10非工作段加強處理后保證截面型心一致性的附加配件板高度其中z’0非工作段加強后的角鋼截面型心高度；y’0非工作段加強后的角鋼截面型心軸；z’a非工作段加強后的附加配件板高度；c1端部補強板寬度；6端部補強板。
圖11設置防壓曲支撐的框架或設置中心支撐的框架首層平面布置圖其中①表示采用了雙角鋼“十”字型截面鋼芯的防壓曲支撐；②表示采用了雙角鋼“丁”字型截面鋼芯的防壓曲支撐。
圖12推覆分析法計算結果比較(底層中柱剪力-層間位移關系)其中NB框架為設置中心支撐的框架；BRAB框架為設置組合熱軋角鋼防壓曲支撐的框架。
圖13防壓曲支撐框架的層間剪力分配系數變化過程其中1stfl.、2ndfl.、3rdfl.、4thfl.分別表示第1、2、3、4樓層；加載點順序為推覆分析時的加載順序。
五具體實施例方式
某四層鋼框架結構，建筑面積約5000m2，首層高度4.8m，標準層高4.2m，結構總高17.4m。采用壓型鋼板疊合層樓蓋，樓面活荷載為2.5kN/m2。抗震設防烈度8度，結構基本地震加速度0.2g，II類場地，設計地震分組為第一組。
1.鋼框架結構選型及組合熱軋角鋼防壓曲支撐的設計與制作1)主體鋼框架結構的選型、防壓曲支撐的側移剛度根據建筑功能要求確定主體框架結構的柱網尺寸，根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)對豎向荷載承載力及豎向位移的要求選定主體框架結構的柱、梁的截面。為保證在最大風荷載作用下結構的側移滿足《鋼結構設計規范》的要求，在主體框架上增設防壓曲支撐，共同提供側移剛度，由此確定防壓曲支撐的總側移剛度及數量。防壓曲支撐也將與主體框架一道抵抗地震作用。
2)防壓曲支撐截面的計算利用本發明組合熱軋角鋼防壓曲支撐剛度可調及屈服承載力可調的特點計算截面面積。具體是，在步驟1)確定了支撐側移剛度之后，對設置防壓曲支撐的框架進行地震作用計算，并根據框架和支撐的協同工作或剛度比例確定支撐所承擔的內力。根據此內力選定防壓曲支撐的截面。在截面積確定之后，利用本發明式(5)計算出工作段長度。
在此步驟中，如需延緩防壓曲支撐的屈服時機、提高結構整體抗震屈服水準，還可以利用本發明進一步增加防壓曲支撐的截面面積，從而收到用先進的“基于性態的抗震設計理念”所能達到的效果。這也是本發明易于實現“基于性態的抗震設計方法”的一個優點。
3)防壓曲支撐的設計根據步驟1)、2)確定的支撐剛度、截面面積、工作段長度結果，所設計出的防壓曲支撐列于表1。在保證剛度、截面面積和工作段長度的前提下，實選型鋼還可以采納圖3所示的其他截面形式。但為方便施工及加工制作，盡量減少產品規格種類，表中截面構造選有等邊雙角鋼“十”字型截面，不等邊雙角鋼“丁”字型截面兩種、工作段長度四種。具體在結構平面上布置時，按照對稱、均勻、有利于減小結構扭轉的原則進行。選在建筑外觀、使用功能不受影響的部位。本案防壓曲支撐按“人”字形(圖1)安裝，具體位置參見圖11，其中，X向每層共設4個防壓曲支撐，Y向每層共設8個防壓曲支撐。鋼芯的材料為國產Q235鋼，屈服強度按300MPa計算。
表1防壓曲支撐鋼芯的設計選用表
*注①表示采用了等邊雙角鋼“十”字型截面鋼芯的防壓曲支撐，具體構造如圖5所示；②表示采用了不等邊雙角鋼“丁”字型截面鋼芯的防壓曲支撐，具體構造如圖6所示。
4)防壓曲支撐的制作安裝本案所用防壓曲支撐按下列5個主要步驟進行。
a.根據表1所選角鋼，先采用點焊或端面焊將角鋼對頂或對邊焊接組合成表1所需截面的鋼材，按圖5、6所示方法進行機械加工，制作成長度和面積符合表1要求的鋼芯。并在鋼芯工作段的中間部位焊接一限位卡，以防止鋼芯和外包材料之間出現非工作滑動。限位卡可用螺栓、短角鋼等制成。
b.在鋼芯表面涂抹由樹脂材料制作的隔離材料，厚度1mm。待結硬后粘貼間隙材料以形成構造間隙，構造間隙厚度分別為0.6mm(肢尖部位)和0.1mm(非肢尖部位)。
c.將鋼芯放入方形鋼管或圓形鋼管，做臨時固定。
d.在鋼管和鋼芯的空間內澆筑水泥砂漿或混凝土并養護至設計強度。
e.主體框架結構施工，焊接節點板及必要的加筋、連接材料，吊裝防壓曲支撐并用扭力扳手將連接螺栓旋緊。
2.結構抗震效果分析及對比1)結構計算模型為說明問題，本案設計了三種結構體系防壓曲支撐鋼框架、中心支撐鋼框架和普通鋼框架。三種結構的設計條件相同，后者的結構抗震設計參照現行國家標準《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)進行。普通框架構件截面尺寸的確定，不但要滿足靜力承載力要求，還要滿足抗震設計要求。中心支撐框架和防壓曲支撐框架的梁、柱截面尺寸根據豎向承載力驗算初步確定，抗震承載力靠框架和支撐共同保證。
使用《建筑抗震設計規范》允許的靜力彈塑性分析方法(推覆分析法)對有限元模型進行計算與分析。其中梁、柱采用SAP2000計算程序中給定的壓彎構件單元，梁、柱端設塑性鉸以模擬構件一旦進入彈塑性后的受力行為。樓蓋采用板單元，上加面荷載。中心支撐采用軸力桿單元，設受壓臨界力限定值，超過此臨界力則認為構件失穩。防壓曲支撐采用非線性軸力單元，恢復力模型采用非線性KINE模型。推覆分析法所采用的加載模式為倒三角形連續加載。恒荷載、活荷載、風荷載為靜力荷載，一次施加完畢。
2)計算結果比較與分析圖12為X向推覆分析所得首層中間柱的剪力-層間位移結果。從該圖可以看出，帶中心支撐的框架柱(圖中的NB框架)與帶防壓曲支撐框架柱(圖中的BRAB框架)的初始剛度接近，但當側向推覆力達到一定水準時，受壓的中心支撐會發生大面積整體失穩，承載能力會突然降低，無法實現大震不倒的目標。帶防壓曲支撐的框架，由于防壓曲支撐率先進入屈服階段消耗地震能量，結構整體剛度會相應降低，但承載能力不會降低，結構整體延性及耗能能力大大提高。從圖12還可看出，三種結構當中，只有BRAB框架完全達到了三水準抗震設防目標。普通框架鋼材用量多，大震下有大量的梁、柱構件進入屈服狀態，殘余變形較大，震后修復費用高。
防壓曲支撐框架在側向推覆力開始加載直至達到極限位移的過程中，層間剪力的分配和重分配情況繪于圖13中。可以看出，在彈性階段，防壓曲支撐承擔62％-78％的總層間剪力，且在此階段均保持此比例基本不變。當推覆至第18步以后，各層防壓曲支撐陸續出現屈服現象。同時，在同層位置的框架柱子承擔的承剪比例開始增加。推至第35步左右時，少量梁構件開始出現屈服現象，導致有些樓層普通框架的層間剪力比例的增加速度逐漸下降。當一定數量的梁端截面出現屈服時(第50步以后)，防壓曲支撐與框架承擔的層間剪力比例各自維持在50％左右，直至推覆結束。
此外，進一步研究分析得知，若使用帶有消能梁段的偏心支撐框架或骨形連接梁框架，雖然結構抗震性能與本案的防壓曲支撐框架持平，但經過大震后在消能梁段內保留的殘余變形，將使與之連接的樓蓋及維護結構產生較大的不可恢復的殘余變形，修復難度加大、費用提高。而防壓曲支撐框架是以支撐的屈服變形為代價的，主體框架或絕大部分框架(取決于設計要求)可保持彈性，依附其上的維護結構變形較小，也就減少了修復費用。防壓曲支撐屬于金屬屈服型阻尼器，不需要日常維護，有效地減少了建筑終身造價。即使個別防壓曲支撐出現損壞，也是容易更換的。
3)結論該工程使用了本發明組合熱軋角鋼防壓曲支撐，鋼芯鋼材取自大陸建材市場Q235碳素鋼及熱軋角鋼。在縱、橫向分別安裝了兩種鋼芯構造、四種工作段長度的防壓曲支撐。通過調整工作段長度和截面面積得到了多種(每個樓層不同)剛度/屈服承載力設計參數，使結構具備了必要的抗側移剛度及抗震承載力。
分析表明，使用本發明的組合熱軋角鋼防壓曲支撐框架結構，受力機理明確，結構耗能穩定，抗震防線合理，充分實現小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設防目標，抗震性能優于中心支撐框架和普通框架。在大震下能夠有效地保護主體結構及非結構構件，還可實現基于性態的結構抗震設計。防壓曲支撐框架的鋼材用量較少，又由于使用了中國市場上量大面廣的鋼材及熱軋型鋼，比進口產品可望較大幅度地降低結構造價。
同帶有消能梁段的偏心支撐框架和骨形連接梁框架相比，組合熱軋角鋼防壓曲支撐框架抗震效果持平或略好。但本發明將屈服消能控制在防壓曲支撐內部，可以有效地保護主體結構、非結構構件及附屬設施，震后修復費用低或免修復。本發明構造簡單、免維護，施工難度小，可在裝修階段進行安裝，給施工帶來便利條件。
權利要求
1.一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐，主要包括涂有表面隔離材料并設構造間隙的鋼芯、外包鋼管，鋼芯和外包鋼管之間的水泥砂漿或混凝土，其特征在于鋼芯截面為由兩個熱軋等邊角鋼對頂組合成的等邊雙角鋼十字型截面、兩個熱軋不等邊角鋼或L型鋼對頂組合成的不等邊雙角鋼十字型截面、兩個熱軋不等邊角鋼或L型鋼等肢邊對邊組合成的不等邊雙角鋼丁字型截面、四個熱軋等邊角鋼對邊組合成的等邊四角鋼十字型截面、四個熱軋不等邊角鋼或L型鋼等肢邊對邊組合成的不等邊四角鋼十字型截面之一。
2.根據權利要求1所述的一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐，其特征在于所述的鋼芯由屈服強度為300-400MPa碳素結構熱軋角鋼或L型鋼對頂或對邊組合而成；鋼芯工作段與非工作段的截面面積滿足式(1)0.5Al≤Ac≤0.8Al(1)其中Ac鋼芯工作段截面面積，Al鋼芯端部截面面積；并且鋼芯工作段的長度lc滿足式(2)0.4l≤lc≤0.7l(2)其中lc為鋼芯工作段的長度，l為支撐整體長度。
3.根據權利要求1所述的一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐，其特征在于所述的構造間隙厚度為鋼芯受壓屈服時橫向變形的1.5-2.5倍。
4.根據權利要求1所述的一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐，其特征在于當鋼芯截面為不等邊雙角鋼或雙L型鋼丁字型截面時，鋼芯的非工作段肢背上焊接高度為za，厚度與鋼芯厚度相同、長度與鋼芯非工作段長度相同的附加配件板，附加配件板高度za按式(3)計算za=1t[t2z*2+2tA0(z0-z*)-tz*]---(3)]]>式中，t為附加配件板厚度；z*為工作段型心高度；A0為角鋼截面面積；z0為角鋼型心高度。
全文摘要
一種組合熱軋角鋼防壓曲支撐(BRAB)屬于土木工程結構消能減震技術領域。目前，國際上所用防壓曲支撐的鋼芯均為低屈服點鋼材，而國內鋼材市場尚不能批量提供優質低屈服點鋼材及制品，鋼材截面形狀也難于選擇，不能滿足工程要求。本發明采用屈服強度為300－400MPa碳素結構熱軋角鋼組合制作成截面符合工程要求的鋼芯；鋼芯工作段截面面積A
文檔編號E04B1/19GK1963061SQ20061016493
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月8日 優先權日2006年12月8日
發明者高向宇, 張慧, 杜海燕, 梁峰 申請人:北京工業大學