專利名稱：混凝土套管防壓曲支撐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
混凝土套管防屈曲支撐(BRCB)屬于土木工程結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)領(lǐng)域，主要用于建筑結(jié)構(gòu)工程、土木結(jié)構(gòu)工程。
背景技術(shù)：
當需要增加結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度、提高結(jié)構(gòu)抗震能力、改善結(jié)構(gòu)抗震性能時可使用防壓曲支撐，并將其安裝在土木工程結(jié)構(gòu)的重要節(jié)點之間(圖1)。防壓屈支撐由涂有表面隔離材料并設(shè)構(gòu)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(nèi)填充水泥砂漿或混凝土。鋼芯在工作時僅承擔拉、壓力。表面隔離材料及構(gòu)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(wěn)定，避免鋼芯受壓失穩(wěn)。鋼芯在屈服前為結(jié)構(gòu)提供側(cè)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(guī)則的特點，大大優(yōu)于普通鋼支撐(圖3)。
目前，已發(fā)表的研究成果和已發(fā)現(xiàn)的實際工程中提到的防壓曲支撐，外包部件都是用鋼管并內(nèi)填混凝土制成的。用鋼管并內(nèi)填混凝土的做法制作外套管，一是防火性能遜于混凝土，二是材料和加工費用較高，三是非正方形、非圓形鋼管一般需要特別機械加工。如遇火災(zāi)，鋼管受損，則抗壓曲功得不到保證。而材料和加工費用較高主要體現(xiàn)在防火涂料、鋼材用量和非正方形/圓形鋼管機械加工上。若使用混凝土制作套管，需防止鋼芯偶然偏心造成外套管受彎而導致的混凝土開裂。開裂后防壓曲套管的整體剛度將降低，影響防壓曲功能。在這方面需要相應(yīng)技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使用混凝土制作防壓曲支撐的外包套管，解決目前外包鋼管防火性能較低及造價較高的問題。在降低造價的前提下，可與外包鋼管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐發(fā)揮同等功效。
一種混凝土套管防壓曲支撐，主要包括外包混凝土套管及內(nèi)部鋼筋骨架、涂有表面隔離材料并設(shè)構(gòu)造間隙的鋼芯，其特征在于
(一)混凝土套管的截面混凝土套管的截面慣性矩須滿足式(a)I≥βNyl2π2Ec---(a)]]>式中，I鋼筋混凝土套管的截面慣性矩；Ny為鋼芯屈服軸力，Ny＝Awfy，Aw為鋼芯截面面積，fy為鋼芯材料屈服強度；Ec為混凝土材料的彈性模量；l為防壓曲支撐計算長度，當采用螺栓連接時可取1.0倍支撐的整體長度。
式(a)的原理為外套管的抗壓臨界承載力大于鋼芯屈服承載力的β倍?？紤]到支撐整體穩(wěn)定、鋼芯高階及局部穩(wěn)定性、鋼芯設(shè)計安全系數(shù)等因素，鋼套管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐β一般取2.5～3以上。本發(fā)明混凝土套管β取4.5～5(C30及以下混凝土可取上限)。按式(a)所選的混凝土外套管截面尺寸，約比同條件下鋼管內(nèi)填混凝土外套管大10～15％，可達到減小偶然偏心、增加穩(wěn)定性、實現(xiàn)抗裂度及剛度控制的效果。
混凝土套管截面的外輪廓形狀為圓形、方形、矩形、正六邊形、正八邊形等具有雙對稱軸的截面之一。
(二)混凝土套管內(nèi)鋼筋骨架混凝土套管內(nèi)的鋼筋骨架由縱向鋼筋5、抗擠壓箍筋7、普通箍筋6和端部附加箍筋4經(jīng)焊接、綁扎而成。具體要求如下。
1、縱向鋼筋縱向鋼筋5的截面積應(yīng)沿截面兩個主軸方向按式(b)分別計算MγW0≤fct---(b)]]>式中，M為考慮初始偏心和二次彎曲影響的由混凝土套管承擔的彎矩。M＝Nye0，e0為偶然偏心，e0=e0a+3fctl210hEc,]]>e0a為初始偏心，h為所驗算主軸方向的截面高度。
W0為包括縱筋在內(nèi)的所驗算主軸方向的截面彈性抵抗矩，W0=Wc+(αs-1)Σi=1nAsiyi2y0,]]>其中，Wc為混凝土套管(不包括鋼芯)的截面彈性抵抗矩；Asi為混凝土套管內(nèi)第i根縱筋的截面面積；n為截面內(nèi)縱筋總數(shù)；yi為第i根縱筋形心位置至截面形心的距離；y0為截面形心至截面受拉邊緣的距離；αs為縱筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值?？v筋截面面積As=Σi=1nAsi.]]>γ為混凝土截面塑性抵抗系數(shù)。對矩形截面，γ＝1.55；對圓形截面，γ＝1.6。
fct為混凝土抗拉強度設(shè)計值。
式(b)與普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件抗裂度計算公式看似相同，但在本質(zhì)上不同。防壓曲支撐為軸心受力構(gòu)件。由于制造誤差、材料均勻性、構(gòu)件變形等原因，混凝土套管構(gòu)件形心與鋼芯受力中心會存在一定偶然偏心，使混凝土套管受彎。套管截面邊緣的拉應(yīng)力將達到最大，配置縱向鋼筋將提高混凝土套管的橫向抗裂能力。與此相應(yīng)，混凝土外套管對鋼芯則起著提供側(cè)向約束力、防止側(cè)向整體失穩(wěn)的作用。
式(b)與鋼結(jié)構(gòu)中的軸心受壓構(gòu)件也不一樣。鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件一般通過穩(wěn)定系數(shù)來反映構(gòu)件長細比對構(gòu)件抗壓承載力降低的影響程度。而防壓曲支撐的鋼芯與套管之間的接觸壓力是互為依存、互為影響的，鋼芯屬于受到非線性彈性側(cè)向約束的受壓構(gòu)件。在有效的側(cè)向約束條件下，鋼芯的抗壓承載力不會降低。另外，鋼芯和混凝土套管之間存在相對滑動，因偶然偏心受彎后兩種截面并不保持一致的平截面應(yīng)變分布，用長細比參數(shù)反映承載力問題與普通軸心受壓構(gòu)件缺乏可比性。所以，長細比參數(shù)無法反映套管受力的復雜情況，鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件的思路不能直接用于防壓曲支撐構(gòu)件。
本發(fā)明以一般鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件彎曲矢高的允許安裝誤差和混凝土構(gòu)件截面允許尺寸偏差作為初始偏心(e0a)，研究了混凝土套管作為非線性彈性約束構(gòu)件在受彎后所能允許的最大彎曲拉應(yīng)變、防壓曲支撐二次彎曲側(cè)向撓度的大小及截面曲率沿軸線的分布規(guī)律，結(jié)合試驗測試結(jié)果，給出了外套管在鋼芯屈服條件下承擔彎矩M的計算方法，以控制套管抗裂度的形式給出了套管內(nèi)縱筋需要量的計算公式(b)。
2、抗擠壓箍筋鋼芯屈服時，橫向應(yīng)變達到縱向受壓屈服應(yīng)變乘以泊松比。分析和試驗表明，屈服后的橫向應(yīng)變最大量可增至此值的1.5-2.0倍?；炷撂坠軆?nèi)留有可容納此變形的構(gòu)造間隙。構(gòu)造間隙不能過大，以防鋼芯高階失穩(wěn)。由于制作誤差、材料均勻性等原因，鋼芯與外套管之間仍然存在外漲擠壓作用。這種外漲擠壓作用在混凝土套管內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。
為減小混凝土套管內(nèi)的環(huán)向拉應(yīng)力，增加混凝土抗擠壓能力，提高混凝土套管的縱向抗裂能力，設(shè)置了抗擠壓箍筋7。這種箍筋與普通混凝土軸心受壓構(gòu)件內(nèi)的復合箍筋作用有所不同(后者的目的在于防止縱筋壓曲，特別是讓處在截面邊緣中間位置的縱筋也受到有效約束)?？箶D壓箍筋7形狀的設(shè)計主要取決于鋼芯受壓外漲在混凝土套管內(nèi)所形成的環(huán)向拉應(yīng)力場。分析表明，選用圖5、6所示形狀的抗擠壓箍筋7效果最好。因鋼芯受壓屈服可發(fā)生在整個工作段內(nèi)，箍筋7應(yīng)沿套管全長均勻布置，其間距、直徑按具體實施方式
中的相關(guān)構(gòu)造要求確定。為使其充分發(fā)揮作用，抗擠壓箍筋7應(yīng)按圖6要求焊接而成，可與縱筋綁扎形成鋼筋骨架。
本發(fā)明的優(yōu)點和效益在于1.本發(fā)明使用鋼筋混凝土作為約束套管制造防壓曲支撐，與鋼管內(nèi)填混凝土制作的防屈曲支撐相比，提高了耐火性能和耐腐蝕性能。在保證抗震性能、防火性能與普通鋼管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐持平的條件下，制作、安裝防壓曲支撐的總成本至少降低約15％。
2.本發(fā)明提供的防壓曲支撐用途廣泛，可在鋼結(jié)構(gòu)、勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)中安裝使用，對新建工程和既有結(jié)構(gòu)加固工程均可使用。
3.同使用傳統(tǒng)抗震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)相比，使用本發(fā)明可較大幅度地降低因保證結(jié)構(gòu)抗震需求造成的工程造價、減少震后加固和修復費用。
4.制作工藝較簡單，設(shè)計、安裝方便，免維護，可更換。
四

圖1混凝土套管防壓曲支撐的某個(X字形)安裝狀況及一般構(gòu)造圖2混凝土套管防壓曲支撐的內(nèi)部構(gòu)造其中1鋼芯；2鋼筋混凝土套管；3表面隔離材料及構(gòu)造間隙；4端部附加箍筋；5縱向鋼筋；6普通箍筋(綁扎而成)；7抗擠壓箍筋(焊接而成)。
圖3防壓曲支撐與普通支撐的軸力-位移試驗曲線的比較其中，(a)普通支撐；(b)防壓曲支撐。
圖4混凝土套管截面彈性抵抗矩計算參數(shù)示意圖其中，Asi為混凝土套管內(nèi)第i根縱筋的截面面積；yi為第i根縱筋形心位置至截面形心的距離；y0為截面形心至受拉截面邊緣的距離。
圖5混凝土套管及鋼芯截面構(gòu)造其中，(a)“一”字形鋼芯圓形套管；(b)“十”字形鋼芯方形套管；(c)“十”字形鋼芯圓形套管；(d)“工”字形鋼芯方形套管。
圖6普通箍筋及抗擠壓箍筋的形式其中，(a)普通焊接環(huán)箍筋；(b)普通方形綁扎箍筋；(c)“一”字形鋼芯配套的抗擠壓箍筋；(d)“十”字形鋼芯配套的抗擠壓箍筋；(e)“工”字形鋼芯配套的抗擠壓箍筋；dv為抗擠壓箍筋直徑。
圖7縱筋切斷及端部箍筋加密構(gòu)造要求其中l(wèi)c混凝土套管長度；As縱筋總截面面積。
圖8混凝土套管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；lw工作段長度；lc混凝土套管長度；l防壓曲支撐整體長度。
圖9設(shè)置防壓曲支撐的框架或設(shè)置中心支撐的框架首層平面布置圖其中在設(shè)置防壓曲支撐的框架中，首層～第三層全部使用“十”字型截面鋼芯，第四層使用“一”字型截面鋼芯，詳見表1。圖9中顯示兩種截面防壓曲支撐所在位置。①表示采用了“一”字型截面鋼芯的防壓曲支撐；②表示采用了“十”字型截面鋼芯的防壓曲支撐。
圖10三種框架的推覆分析結(jié)果圖11層間剪力分分配及重分配規(guī)律五具體實施方式
1、混凝土套管防屈曲支撐的設(shè)計(1)先初步確定防壓曲支撐的側(cè)移剛度根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)的柱、梁的截面。為保證在最大風荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移滿足規(guī)范要求，在主體框架上增設(shè)防壓曲支撐，共同提供側(cè)移剛度，由此確定防壓曲支撐的總側(cè)移剛度及數(shù)量。
(2)防壓曲支撐鋼芯截面的計算在步驟(1)確定了支撐側(cè)移剛度之后，對設(shè)置防壓曲支撐的框架進行地震作用計算，并根據(jù)框架和支撐的協(xié)同工作或剛度比例確定支撐所承擔的內(nèi)力。根據(jù)此內(nèi)力選定防壓曲支撐的截面。在截面積確定之后，利用本發(fā)明式(3)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(jié)構(gòu)整體抗震屈服水準，還可以利用本發(fā)明進一步增加防壓曲支撐的截面面積，從而收到“基于性態(tài)的抗震設(shè)計”所能達到的效果。
(3)混凝土套管的設(shè)計按步驟(1)和(2)，鋼芯工作段截面尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的屈服水準確定的，鋼芯工作段長度是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的剛度要求確定的。在確定出支撐剛度、截面面積、工作段長度之后，利用本發(fā)明式(a)及有關(guān)構(gòu)造要求，確定混凝土套管的構(gòu)造尺寸。按式(b)計算縱向鋼筋面積，初始偏心取e0a＝10mm。
混凝土套管選用強度級別為C25-C40的混凝土。鋼芯選用Q235或Q345鋼之一，箍筋采用HPB235，縱筋采用HRB335，隔離材料采用硅膠。
混凝土套管的構(gòu)造要求①、混凝土套管的最小截面尺寸hmin＝max(200mm，1/20)，其中l(wèi)為防壓曲支撐整體長度，l＝防壓曲支撐所連接的框架節(jié)點間距離-構(gòu)件節(jié)點尺寸。
②、配筋加密區(qū)防壓曲支撐混凝土套管兩端lc/8范圍內(nèi)為箍筋加密區(qū)，中間lc/2范圍內(nèi)為縱筋正常范圍，lc為混凝土套管長度。詳見圖7、8。
③、縱筋5和普通箍筋6需滿足下述要求縱筋5在混凝土套管兩端l/4長度范圍內(nèi)最多切斷20％。普通箍筋在端部l/8范圍內(nèi)加密。
h＞300mm時，普通箍筋φ6@200，加密區(qū)φ6@50；全部縱筋最小截面積As，min＝1.25％Ac。
h≤300mm時，普通箍筋φ5@150，加密區(qū)φ5@50；全部縱筋最小截面積As，min＝1.50％Ac。
最大縱筋直徑，ds，max＝min(18，h/16)。
④、抗擠壓箍筋7及端部附加箍筋4按下述要求確定抗擠壓箍筋需沿構(gòu)件通長配置。箍筋直徑dv，對一字形鋼芯截面，dvmax(6，0.4t)，t為鋼芯鋼板厚度；對十字形和工字形，dv＝max(8，0.5t)。間距sv＝max(100，h/2)。構(gòu)件端部設(shè)附加箍筋4，直徑及形狀同抗擠壓箍筋。
2、防壓曲支撐的軸向剛度Ka可按式(3)計算
Ka=1lwEsAw+ltEsAt+llElAl---(3)]]>式中Es、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鋼芯過渡段長度、截面積；lw、Aw鋼芯工作段長度、截面積。
3、混凝土套管防壓曲支撐的制作與安裝制作工序(1)鋼芯的制備按結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作工藝要求制作。
(2)隔離材料及構(gòu)造間隙按設(shè)計要求選擇隔離材料，按制作工藝要求將隔離材料置于鋼芯表面，構(gòu)造間隙采用粘貼辦法按間隙厚度設(shè)計要求預留。
(3)混凝土套管的制作支模(批量生產(chǎn)時模板可重復使用)，綁扎鋼筋骨架，放置鋼芯并臨時固定?；炷涟磸姸鹊燃壴O(shè)計要求配比(需使用減水劑)，澆筑混凝土，控制振搗時間。養(yǎng)護，拆模。
安裝工序(1)吊裝就位要求在鋼芯的兩端連接部位選擇吊點。就位后臨時固定。先安裝定位螺栓。按鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)程的要求控制支撐與框架節(jié)點板之間的安裝偏差。
(2)螺栓連接要求混凝土套管防壓曲支撐與框架節(jié)點板應(yīng)使用螺栓及相關(guān)配件連接。按設(shè)計要求選定螺栓的直徑和數(shù)量。用扭力扳手控制安裝螺栓預緊力。采用碳素鋼螺栓，螺栓預緊應(yīng)力控制值為0.65倍材料的屈服強度。擰緊力矩系數(shù)取0.2。
4、實施例某四層鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑面積約5000m2，首層高度4.8m，標準層高4.2m，結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度8度，結(jié)構(gòu)基本地震加速度0.2g，II類場地，設(shè)計地震分組為第一組。
(1)鋼框架結(jié)構(gòu)選型及混凝土套管防壓曲支撐的設(shè)計①主體鋼框架結(jié)構(gòu)的選型、防壓曲支撐的側(cè)移剛度根據(jù)建筑功能要求確定主體框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)尺寸，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)的柱、梁的截面。為保證在最大風荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，在主體框架上增設(shè)防壓曲支撐，共同提供側(cè)移剛度，由此確定防壓曲支撐的總側(cè)移剛度及數(shù)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(fā)明混凝土套管鋼防壓曲支撐剛度可調(diào)及屈服承載力可調(diào)的特點計算截面面積。具體是，在步驟1)確定了支撐側(cè)移剛度之后，對設(shè)置防壓曲支撐的框架進行地震作用計算，并根據(jù)框架和支撐的協(xié)同工作或剛度比例確定支撐所承擔的內(nèi)力。根據(jù)此內(nèi)力選定防壓曲支撐的截面。截面積確定之后，用式(4)計算工作段長度。
表1防壓曲支撐鋼芯的設(shè)計選用表

*注①表示采用了“一”字型截面鋼芯的防壓曲支撐；②表示采用了“十”字型截面鋼芯的防壓曲支撐。二者具體構(gòu)造如圖5所示。
③防壓曲支撐的設(shè)計根據(jù)步驟1)、2)確定的支撐剛度、截面面積、工作段長度結(jié)果，所設(shè)計出的防壓曲支撐列于表1。在保證剛度、截面積和工作段長度的前提下，實選型鋼還可以采納圖5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(chǎn)品規(guī)格種類。具體在結(jié)構(gòu)平面上布置時，按照對稱、均勻、有利于減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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“×”字形(圖1)安裝，具體位置參見圖9，其中，X向每層共設(shè)4個防壓曲支撐，Y向每層共設(shè)8個防壓曲支撐。鋼芯的材料為國產(chǎn)Q235鋼，屈服強度按300MPa計算。
④混凝土套管設(shè)計根據(jù)表1設(shè)計計算的鋼芯屈服承載力，設(shè)計混凝土套管并進行抗裂計算。選用強度級別為C30的混凝土(ft＝1.43MPa)，根據(jù)式(1)及構(gòu)造要求確定混凝土套管設(shè)計截面。按式(2)確定縱筋面積。設(shè)計步驟見表2。
表2 混凝土套管截面尺寸的確定及抗裂驗算 ⑤防壓曲支撐的制作安裝按下列5個步驟進行。
a.根據(jù)表1所選鋼板截面進行加工制作成鋼芯。在鋼芯中間部位(圖8中X軸與Z軸交點)焊接一限位卡。限位卡可用螺栓、短角鋼等制成。
b.在鋼芯表面涂抹隔離材料。待結(jié)硬后粘貼構(gòu)造間隙材料，鋼板肢尖部位和其它部位的間隙寬度按設(shè)計要求取值。
c.支模，將鋼芯放入鋼筋骨架，將二者放入模板并做臨時固定。
d.在模板、鋼筋和鋼芯的空間內(nèi)澆筑混凝土并養(yǎng)護至設(shè)計強度，拆模。
e.主體框架結(jié)構(gòu)施工，焊接節(jié)點板及必要的加勁、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(jié)構(gòu)抗震效果分析及對比①結(jié)構(gòu)計算模型為說明問題，本案設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)體系本發(fā)明混凝土套管防壓曲支撐鋼框架(BRCB框架)、中心支撐鋼框架(NB框架)和普通鋼框架。三種結(jié)構(gòu)的設(shè)計條件相同，后者的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計參照現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)進行。普通框架構(gòu)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(shè)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(jù)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(shè)計規(guī)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、柱壓彎構(gòu)件單元，梁、柱端設(shè)塑性鉸以模擬構(gòu)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(shè)受壓臨界力限定值，超過此臨界力則認為構(gòu)件失穩(wěn)。防壓曲支撐采用非線性軸力單元，恢復力模型采用非線性模型。推覆分析法所采用的加載模式為倒三角形連續(xù)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(jié)果比較與分析圖10為X向推覆分析所得首層中間柱的剪力-層間位移結(jié)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BRCB框架)的初始剛度接近，但當側(cè)向推覆力達到一定水準時，受壓的中心支撐會發(fā)生大面積整體失穩(wěn)，承載能力會突然降低，無法實現(xiàn)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(jié)構(gòu)整體剛度會相應(yīng)降低，但承載能力不會降低，結(jié)構(gòu)整體延性及耗能能力大大提高。從圖10還可看出，三種結(jié)構(gòu)當中，只有BRCB框架完全達到了三水準抗震設(shè)防目標。普通框架鋼材用量多，大震下有大量的梁、柱構(gòu)件進入屈服狀態(tài)，殘余變形較大，震后修復費用高。
防壓曲支撐框架在側(cè)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11中?？梢钥闯?，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(xù)出現(xiàn)屈服現(xiàn)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(gòu)件開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)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(shù)量的梁端截面出現(xiàn)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(jié)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(jié)構(gòu)抗震性能與本案的防壓曲支撐框架持平，但經(jīng)過大震后在消能梁段內(nèi)保留的殘余變形，將使與之連接的樓蓋及維護結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(shè)計要求)可保持彈性，依附其上的維護結(jié)構(gòu)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(xiàn)損壞，也是容易更換的。
(3)性價比分析為比較本發(fā)明與普通鋼管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐兩種構(gòu)件的性價比，表3統(tǒng)計了本工程實例(表1和表2)所用防壓曲支撐套管的各種材料總用量、各種材料的單價以及材料成本價格比值。表中還給出了目前鋼結(jié)構(gòu)工程中通常采用的兩種防火做法，即厚涂型防火涂料或薄型防火涂料。兩種方法使用材料、施工工藝、性能特點均有所不同，詳見表3的注釋。
從表3可以看出，使用本發(fā)明混凝土套管防壓曲支撐，套管本身無需噴涂防火涂料便可達到耐火極限2.5小時的標準。使用鋼管內(nèi)填混凝土材料制作防壓曲支撐(不噴涂防火涂料)，比本發(fā)明的材料成本要高5％，但問題是防火性能肯定低于用本發(fā)明制作的構(gòu)件。若在鋼管外部表面噴涂防火材料，則套管及防火涂料的材料成本至少比混凝土套管增加約88％。若按套管成本占防壓曲支撐總成本的20％來估計，則在本工程中使用本發(fā)明將節(jié)約防壓曲支撐的總材料成本15％左右，這個估計還未包括防火涂料的施工工藝及機具費用。
表3 兩種套管做法的材料成本比較


注釋1、厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料靠材料的不燃性、低導熱性隔熱。采用粘結(jié)劑、無機輕質(zhì)材料及增強材料制成。施工宜采用壓送式噴涂機噴涂，空氣壓力為0.4～0.6MPa，噴槍口直徑宜為6～10mm。施工順序為噴槍表面打底，噴涂厚度1-1.5mm。24小時硬化后，可噴涂或涂抹，每遍厚度宜為5～10mm。兩次涂抹間隔為24小時。涂抹直至達到設(shè)計規(guī)定的厚度為止。不足之處表面裝飾性較差。
超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在受火升溫后膨脹發(fā)泡，形成致密的耐火隔熱層。涂層超薄(3-7mm)，一般為溶劑型，用乳液聚合物作基料，再配以阻燃劑、添加劑等制成。施工采用噴涂方法。粘結(jié)強度高以及耐水性、流平性、裝飾性好等特點。不足之處一是涂料中的阻燃成份在遇火膨脹后釋放NH3、CL2、BR2等有毒氣體，二是材料中的有機成份在自然條件下存在降解、老化等問題，耐久性稍遜于厚涂型防火涂料。
2、目前國內(nèi)外試驗研究、國家及行業(yè)標準尚缺乏詳細試驗研究依據(jù)。
3、單位價格分別選自中國建材網(wǎng)、中國工程預算網(wǎng)等現(xiàn)行市場指導價格。
4、表中僅計入了混凝土套管、外包鋼管內(nèi)填混凝土兩種做法的材料費用，不包括鋼芯、連接件等費用。未計入的費用還包括混凝土模板費用(可使用定型周轉(zhuǎn)模板)、鋼筋骨架加工人工費、非標準鋼管加工費用、噴涂防火材料的人工費及機械費、材料老化翻新費用等。
5、結(jié)論實施例中使用了本發(fā)明混凝土套管防壓曲支撐。在縱、橫向分別安裝了兩種鋼芯構(gòu)造、四種工作段長度、六種鋼芯斷面尺寸的防壓曲支撐。通過調(diào)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(shè)計參數(shù)，使結(jié)構(gòu)具備了必要的抗側(cè)移剛度及抗震承載力。
分析表明，使用本發(fā)明混凝土套管防壓曲支撐框架結(jié)構(gòu)，受力機理明確，結(jié)構(gòu)耗能穩(wěn)定，抗震防線合理，可充分實現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設(shè)防目標，抗震性能優(yōu)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(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及附屬設(shè)施，實現(xiàn)基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。同帶消能梁段的偏心支撐框架和骨形連接梁框架相比，混凝土套管防壓曲支撐框架抗震效果持平或略好。但本發(fā)明將屈服變形控制在防壓曲支撐內(nèi)部，震后修復費用低或免修復。本發(fā)明構(gòu)造簡單、免維護，施工難度小，可在房屋裝修階段進行安裝，給施工帶來便利條件。
使用本發(fā)明在保證抗震性能、防火性能與普通鋼管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐持平的條件下，制作、安裝防壓曲支撐的總成本至少降低約15％。
權(quán)利要求
1.一種混凝土套管防壓曲支撐，包括外包混凝土套管(2)及內(nèi)部鋼筋骨架，涂有表面隔離材料并設(shè)構(gòu)造間隙(3)的鋼芯(1)，所述鋼筋骨架由縱向鋼筋(5)、抗擠壓箍筋(7)、普通箍筋(6)和附加箍筋(4)經(jīng)焊接、綁扎而成，其特征在于使用鋼筋混凝土套管作為防壓曲支撐鋼芯的側(cè)向約束單元；混凝土套管的截面慣性矩需滿足式(a)的要求I≥βNyl2π2Ec---(a)]]>I鋼筋混凝土套管的截面慣性矩；Ny為鋼芯屈服軸力，Ny＝Acorefy，Acore為鋼芯工作段截面面積，fy為鋼芯材料屈服強度；Ec為混凝土材料的彈性模量；l為防壓曲支撐計算長度；β為穩(wěn)定安全系數(shù)；混凝土套管內(nèi)縱向鋼筋5的用量按式(b)確定MγW0≤fct---(b)]]>式中，M為考慮初始偏心及二次彎曲由外套管承擔的彎矩，按截面兩主軸方向分別計算；M＝Nye0，e0為考慮防壓曲支撐混凝土套管因初始偏心和二次彎曲作用而產(chǎn)生的偏心距，e0=e0a+3fctl210hEc,]]>e0a為初始偏心，h為所驗算主軸方向的截面高度，fct為混凝土材料抗拉強度設(shè)計值；γ為混凝土截面抵抗矩塑性系數(shù)；W0為包括縱筋在內(nèi)的所驗算主軸方向的鋼筋混凝土套管截面彈性抵抗矩，W0=Wc+(αs-1)Σi=1nAsiyi2y0,]]>其中，Wc為混凝土不包括鋼芯的截面彈性抵抗矩；Asi為混凝土套管內(nèi)第i根縱筋的截面面積；n為截面內(nèi)縱筋總數(shù)；yi為第i根縱筋形心位置至截面形心的距離；y0為截面形心至截面受拉邊緣的距離；αs為縱筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；縱筋截面面積As=Σi=1nAsi.]]>
全文摘要
一種混凝土套管防壓曲支撐屬于土木工程結(jié)構(gòu)消能減震領(lǐng)域。目前所用防壓曲支撐的外部約束構(gòu)件采用鋼管內(nèi)填混凝土，防火性能遜于混凝土、材料和加工費用較高。本發(fā)明采用混凝土套管替代鋼管內(nèi)填混凝土?；炷撂坠苄璋捶€(wěn)定安全要求確定截面尺寸，按截面抗裂要求計算縱筋，按構(gòu)造要求確定抗擠壓箍筋及普通箍筋數(shù)量，以及縱筋最大直徑、最小數(shù)量及切斷位置。本發(fā)明混凝土套管防壓曲支撐耗能穩(wěn)定，不失穩(wěn)，能增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，抗低周疲勞性能好，具有優(yōu)異的抗震性能，能夠滿足工程抗震設(shè)計對屈服水準及剛度的多種需求。本發(fā)明在保證抗震性能、防火性能與普通鋼管內(nèi)填混凝土防壓曲支撐持平的條件下，制作、安裝防壓曲支撐的總成本降低約15％。
文檔編號E04B1/18GK101050645SQ20071009942
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者高向宇, 周錫元, 張騰龍, 陳巍 申請人:北京工業(yè)大學