防屈曲支撑在钢结构重型厂房中的应用 防屈曲支撑在钢结构重型厂房中的应用 刘晶晶 (宝钢工程技术集团有限公司, 上海 201900) 摘 要：某钢结构重型厂房，首次应用防屈曲支撑，以减小由于厂房超长而产生的温度效应，降低构件内力和柱底反力。介绍防屈曲支撑的构成和应用现状，并与普通支撑进行比较。结果表明：防屈曲支撑对减小超长厂房温度效应具有一定作用，并且能满足厂房各项设计要求，实现设计目标。 关键词：防屈曲支撑; 钢结构重型厂房; 超长; 温度应力; 应用 DOI:10.13206/j.gjg201507008 ABSTRACT：Buckling-restrained braces (BRBs) were applied to reduce the temperature effect of the overlong building, the thermal stresses of members and the reactions of foundations in a steel heavy-duty workshop. Formation and application status of BRBs were introduced. A comparison of stresses with those of the adopted normal braces was carried out. The result showed that BRBs had advantages in reducing the temperature effect of overlong buildings, and it could meet the requirements of design. 收稿日期：2015 - 04 - 03 APPLICATION OF BUCKLING-RESTRAINED BRACES IN A STEEL HEAVY-DUTY WORKSHOP Liu Jingjing (Baosteel Engineering & Technology Group, Shanghai 201900, China) KEY WORDS：buckling-restrained brace; steel heavy-duty workshop; overlength; thermal stress; application 作 者：刘晶晶，女，1981年出生，硕士，工程师。 Email：ljjuly@sina.com 钢结构重型厂房结构复杂，具有高度高、柱距大的特点，内设吊车起重量大，在冶金、造船、电力、机械等工业厂房设计中广泛采用。钢结构重型工业厂房设计中，一般横向采用单(多)层多跨钢结构框架(排架)形式，纵向采用柱 - 柱间支撑的形式。柱间支撑在厂房设计中一般作为纵向抗侧力构件，为框架(排架)结构提供抗侧刚度和承载力。 某工程钢结构重型工业厂房纵向长度超长，为满足工艺要求且与厂房相邻区域相匹配，纵向未设伸缩缝，温度区段长度远超过规范限值。在考虑厂房温度效应进行纵向计算时，采用常用的支撑形式(如交叉撑、人字撑等)和常规截面(一般采用槽钢、H型钢、圆管等)，柱间支撑、吊车梁等构件均产生很大内力，同时产生很大的柱底反力。因而，柱间支撑、吊车梁的构件截面及连接设计困难，基础造价也较高。 防屈曲支撑一般情况下，是用于解决支撑在地震中过早屈曲而导致结构破坏的问题。考虑到防屈曲支撑在受压和受拉状态下承载力接近，应用于受压柱间支撑中可减小支撑杆件的截面，从而降低支撑刚度的特点，本工程钢结构重型工业厂房设计中，首次应用防屈曲支撑作为纵向抗侧力构件，以减小由于厂房超长而产生的温度效应，进而达到降低结构构件内力和柱底反力的目的。 1 防屈曲支撑简介 1.1 防屈曲支撑与普通支撑的区别 结构在水平荷载，如风荷载、地震作用、温度效应等的作用下，支撑的内力会在受压和受拉两种状态下往复变化。普通钢支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力会急剧降低。当支撑按压杆设计时，为满足承载力设计要求，要保证支撑在受压状态下不发生失稳破坏。这样，支撑需要选择较大截面，而在受拉状态下截面利用率很低。 为解决普通钢支撑受压屈曲的问题，在支撑外部套管，约束支撑的受压屈曲，就构成防屈曲支撑。防屈曲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，使钢支撑在受拉和受压时性能一致，避免普通支撑拉、压承载力差异显著的缺陷，可大大提高钢材的利用率。 防屈曲支撑的构件轴向承载力设计值为： Nb=Af 式中：A为防屈曲支撑芯板截面面积； f为防屈曲支撑芯板强度设计值。 普通截面支撑按压杆设计时，轴心受压构件轴向承载力设计值： Nb=Afφ 式中：φ为轴心受压构件的稳定系数，和构件的长细比λ有关；A为支撑的截面面积； f为支撑材料强度设计值。 普通支撑构件的轴心受压稳定系数远小于1，因此按压杆设计时，防屈曲支撑的承载力明显高于普通支撑。普通支撑长细比接近150时，同种材质和截面面积的防屈曲支撑承载力约为普通支撑的3倍。因此，采用防屈曲支撑可以选用较小的截面，从而降低支撑刚度。 1.2 防屈曲支撑的应用现状 1995年神户地震后，防屈曲支撑体系在日本大量应用。1994年北岭地震后，美国也开始进行防屈曲支撑体系的研究和应用。2005年开始，我国在台湾、北京、上海、西安与太原等地也有几十幢建筑整体或局部采用了防屈曲支撑构件，如北京通用国际时代广场、银泰大厦、上海古北财富中心等。防屈曲支撑在国内应用虽处于初期发展阶段，但也已经有了一定进展。 在重型工业钢结构厂房设计中，防屈曲支撑的应用很少，只有少数厂房用于减震设计。本工程首次将防屈曲支撑应用于钢结构重型工业厂房，来减小超长厂房温度效应的影响。 2 工程概况 2.1 厂房平面及横向立面布置 某工程炼钢连铸钢结构重型工业厂房，连铸区建筑面积约5万多平方米，厂房柱网及柱间支撑平面布置见图1。每跨均设置桥式吊车，最大起重量1 600 kN。横向为单层多跨框架结构，由 、 - 列构成，在?列和列设伸缩缝，列与厂房炼钢区相邻。厂房柱下柱采用双管或四管钢管混凝土格构柱，上柱采用实腹式H型钢截面，屋面梁采用实腹式H型钢截面或框桁架结构，屋面梁端部与厂房柱刚接，伸缩缝处采用滑动支座。横向温度区段长度最长为105 m(-?列)，满足GB 50017-2003《钢结构设计规范》的要求，因此设计时不考虑温度效应的影响。厂房横向剖面见图2。 2.2 厂房纵向结构体系及温度效应 厂房纵向采用柱 - 柱间支撑体系，纵向刚度主要由柱、柱间支撑和其他纵向构件(柱顶压杆、吊车梁及辅助桁架等)来保证，柱间支撑由于刚度远大于厂房柱，因此起主要作用。纵向每列均设3道下柱柱间支撑，上柱柱间支撑除了与下柱支撑开间对应外，在两侧端部也均设置上柱支撑(柱间支撑位置见图1)。柱间支撑主要用于承受厂房端部山墙风荷载、吊车纵向刹车荷载、温度效应和地震作用，并将上述荷载传至基础上。  1-上柱支撑；2-上、下柱支撑。
图1 厂房柱网及柱间支撑平面布置  图2 厂房横向剖面(④- 轴) GB 50017-2003规定，单层房屋的纵向温度区段长度，对于热车间而言，当不超过180 m时，一般情况可不考虑温度应力和温度变形的影响。当结构纵向温度区段长度超过规范限制时，应计算柱的纵向温度应力。当温度区段内设有两道或两道以上的下柱柱间支撑，且两支撑间的距离较大时，应计算柱间支撑的温度应力。 厂房纵向最长315 m(、 、列)，为满足工艺要求且与厂房相邻炼钢区域匹配，纵向未设伸缩缝，温度区段长度远超过规范限值。相邻下柱支撑间距较大，且工作区域内作业温度高，温差大，温度效应显著，计算时需要考虑温度效应的影响。 在温度效应下，以不动点为中心，柱、柱间支撑与水平构件(吊车梁等)变形协调。柱间支撑刚度较大时，约束水平构件变形的能力强，水平构件会产生较大轴力，从而支撑产生较大内力，并引起较大的柱底反力。这样，会增加支撑、吊车梁及基础的设计难度，提高工程造价。因此，在满足结构承载能力及正常使用状态的前提下，减小柱间支撑的刚度对设计有利。减小支撑刚度最有效的方法可通过改变支撑形式来实现。但是，支撑形式相同时，减小支撑构件截面也可达到减小支撑刚度的效果。采用防屈曲支撑作压杆，与普通截面支撑相比，可选用较小的构件截面尺寸，降低支撑刚度。 3 纵向温度应力计算分析 3.1 厂房列纵向结构布置形式 以厂房列为例，对采用不同支撑形式的结构，以及支撑形式相同但分别采用普通截面支撑和防屈曲支撑截面的结构，进行受力分析比较。 列结构长315 m，由①-轴构成，共设3道下柱柱间支撑，另外端部及对应下柱支撑的开间设上柱柱间支撑。上柱支撑受温度影响小；中间一道下柱支撑接近于温度变形时的不动点位置，受温度影响小。因此，只比较左右两道下柱支撑的受力情况。 在厂房其他纵向受力构件(厂房柱、柱顶压杆、吊车梁及辅助桁架、上柱柱间支撑和中间一道下柱柱间支撑)的形式、截面均相同，荷载也相同的情况下，左右两道下柱柱间支撑分别采用3种不同形式，进行受力分析比较：1)普通型钢支撑，人字撑；2)普通型钢支撑，八字撑；3)防屈曲支撑，八字撑。列纵向结构立面见图3，图中左右两道支撑形式以普通型钢支撑，即八字撑为例。分别对应这3种不同的支撑形式，④-⑤轴间的柱间支撑形式见图4。 厂房下柱为钢管混凝土格构柱，考虑连接节点等因素，普通支撑按圆钢管设计。下柱支撑均为双片，分别对应厂房下柱柱肢，水平力由两片支撑共同承担。普通支撑两片支撑间用缀条连接，并在支撑平面内设一斜杆，以减小压杆稳定计算时计算长度，从而减小构件截面。 图3 列纵向结构立面(普通型钢支撑，八字撑) 3.2 不同形式下柱支撑计算 对采用3种不同形式下柱柱间支撑的结构进行纵向计算分析比较。结构的纵向荷载包括厂房端部山墙风荷载、吊车纵向刹车荷载、温度效应和地震作用。本工程荷载设计参数如下： a-普通型钢支撑(人字撑)；b-普通型钢支撑(八字撑 )；c-防屈曲支撑(八字撑)。
1-φ245×8；2-φ219×6；3-芯板-125×16
图4 列柱间支撑(④-⑤轴间)形式 结构基本风压0.4 kN/m2；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，所属设计地震分组为第三组，场地土类别Ⅲ类；吊车纵向刹车力根据吊车资料按GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》取值；对结构采取一定的放松措施，释放部分温度应力，因此设计时对温度效应进行一定折减，柱顶压杆温差值按25 ℃、吊车梁温差值按15 ℃考虑。 采用平面计算方法，对厂房的横向和纵向分别计算。厂房纵向计算应用结构计算软件MIDAS，对各种荷载工况下内力进行了分析比较，重点分析温度效应的影响。 计算模型中，厂房柱柱脚按刚接输入，考虑温度对厂房柱产生的应力。柱顶系杆、吊车梁两端与厂房柱连接为铰接，上、下柱间支撑两端连接也按铰接计算。各构件按实际设计截面输入，防屈曲支撑仅考虑芯板作用，输入芯板的材质及截面。 在计算普通型钢支撑时，柱间支撑构件设计既要满足强度、稳定承载力设计要求，又要满足规范规定的长细比设计要求。防屈曲支撑由于外加套筒和填充材料，可约束芯板受压屈曲，因此构件只需强度满足设计要求，不必考虑稳定承载力及长细比的影响，可选取小截面。因此，在支撑形式相同的情况下，采用防屈曲支撑形式时，支撑刚度会比普通型钢支撑刚度小。当然，降低支撑刚度并不是无限制的。结构除了温度效应外，必须要满足风荷载、地震作用和吊车纵向刹车力作用下的承载力和位移要求。3道下柱支撑共同承担这些荷载的组合作用。控制支撑刚度在一定的范围内，使结构位移不超过GB 50017-2003的限值。 表1-表3分别列出了普通型钢人字撑、普通型钢八字撑和防屈曲八字撑在温度作用下([温度]表示温度效应单一工况荷载标准值)和各工况荷载组合最大值情况下([组合]表示温度效应、风荷载、吊车纵向刹车力和地震作用这几种荷载，按GB 50009-2012基本组合的最大值)，相关构件内力及柱底反力。 表1 普通人字撑形式构件内力及柱底反力 支撑截面材质截面面积/cm2应力比[组合]轴力[组合]/kN轴力[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(水平)[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(垂直)[温度]/kN④/⑤轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)①轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)?245×8Q34559.560.8171066682463/486550/-550121/157495 表2 普通八字撑形式构件内力及柱底反力 支撑截面材质截面面积/cm2应力比[组合]轴力[组合]/kN轴力[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(水平)[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(垂直)[温度]/kN④/⑤轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)①轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)?219×6Q34540.150.592457292141/221251/-251144/362533 表3 防屈曲八字撑形式构件内力及柱底反力 支撑截面材质截面面积/cm2应力比[组合]轴力[组合]/kN轴力[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(水平)[温度]/kN④/⑤轴柱脚反力(垂直)[温度]/kN④/⑤轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)①轴柱脚弯矩[温度]/(kN·m)芯板-125×16Q235200.54223317888/167183/-183271/394538 3.3 不同形式支撑受力分析结果 通过表1-表3中的数据分析比较结果如下： 1)采用八字撑形式时，支撑构件内力与人字撑相比明显降低，支撑刚度远小于人字撑刚度。在温度效应下，普通八字撑形式支撑构件轴力是普通人字撑形式支撑构件轴力的43%。 2)在支撑形式相同，即均采用八字撑形式时，当支撑构件在荷载组合最大值工况下，构件应力比接近时，防屈曲支撑构件截面面积约为普通支撑截面面积的一半。防屈曲支撑刚度小，支撑构件内力降低。在温度效应下，防屈曲支撑构件轴力为普通支撑构件轴力的61%。 3)两侧下柱支撑刚度降低时，会减小水平连接构件(吊车梁及辅助桁架)的内力，并且与支撑相邻的厂房柱柱脚水平力和垂直力也会降低。 4)两侧下柱支撑刚度降低时，中间下柱支撑承担的作用力会增大，因此需要加强中间柱间支撑。且两侧支撑刚度降低时，厂房柱变形会增大，柱脚弯矩也会增加。 因此，可以得出以下结论： 1)在厂房超长结构设计时，温度效应影响显著。支撑刚度增加，温度效应产生的内力相应增大，而为了满足构件承载力的要求，要相应增加支撑截面，会造成支撑截面过大且连接不便。 2)吊车梁内力较大时，不但会增加吊车梁设计截面面积，吊车梁的连接设计难度也会增大。吊车梁之间通过螺栓连接，传递纵向水平力，当力很大时，螺栓数量较多，也造成安装不便。 3)柱底反力增大，基础面积会增加，也会提高工程造价。 4)虽然降低两端支撑刚度会引起中间支撑内力及柱底弯矩增加，但是综合而言，不会造成太大影响。因此，在温度效应显著的情况下，降低两侧支撑刚度对结构设计是有利的。 4 结束语 经过计算分析比较各种不同支撑形式，并结合工程造价等各种因素的综合考虑，本工程钢结构重型工业厂房设计中，、、列左右两侧的下柱支撑，最终选用了防屈曲八字型支撑的方案。厂房在2011年设计安装完成并投入生产，至今使用状况良好。 本文通过比较3种不同形式的柱间支撑，阐明了防屈曲支撑在超长钢结构厂房设计中，用于减小温度效应影响时具有一定优势。加大结构刚度用来抵抗作用力，是厂房纵向设计时的常规做法。但是在钢结构厂房超长，温度效应影响显著时，这种做法显然不经济、不适用。而采用防屈曲八字支撑方案，通过降低支撑刚度来满足设计要求，也是超长钢结构厂房设计的一种方法。防屈曲八字支撑方案减小了温度效应产生的构件内力和柱底反力，减小了构件截面，并有利于构件连接的设计，减小了基础面积，使得结构性能和经济性等都得以提高。 本工程首次将防屈曲支撑应用于钢结构重型工业厂房设计中，作为结构的纵向抗侧力构件，用于减小温度效应。在以后钢结构厂房的设计中，可作为参考。 参考文献 [1] 朱召泉. 钢结构构件稳定性问题浅析[J]. 钢结构, 2011，26(3): 1 - 5. [2] 王慧萍,董军,金晓兰. 设置重载吊车的单层钢结构厂房结构设计[J]. 钢结构, 2014，29(12): 44 - 47. [3] 张宪江,黄昆. 约束屈曲支撑在多层钢框架中的应用研究[J]. 钢结构, 2008，23(10): 5 - 10. [4] 吴勇. 一字内芯全钢防屈曲支撑的有限元分析[J]. 低温建筑技术, 2009(9): 78 - 80. [5] 朱建湘. 浅谈屈曲约束支撑的安装施工[J]. 中华建设, 2008(6): 58 - 59. [6] 赵俊贤,吴斌. 防屈曲支撑的工作机理及稳定性设计方法[J]. 地震工程与工程振动, 2009(3): 131 - 139. [7] 高之耀. 某重型钢结构厂房的结构设计分析和研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2013. [8] 周云. 防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007. [9] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].
|
