屈曲約束支撐框架體系(BRBF)的優(yōu)勢及其在工程中的應(yīng)用

王祖權(quán)

摘 要:屈曲約束支撐框架體系(BRBF)是新近發(fā)明并逐漸得到應(yīng)用的一種抗震框架體系。由于屈曲約束支撐(BRB)在受拉和受壓時都可屈服而不屈曲,克服了普通支撐體系的缺點,具有較強的抗震性能。為了進一步使屈曲約束支撐框架體系得到推廣和應(yīng)用,本文初步分析了其優(yōu)勢及在工程中的應(yīng)用,推進該體系在我國得到更深層次地研究與發(fā)展。

關(guān)鍵詞:屈曲約束支撐框架體系優(yōu)勢應(yīng)用承載力抗震能力

中圖分類號:TU352 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0059-01

普通鋼框架結(jié)構(gòu)的中心支撐在強震中極有可能受壓發(fā)生屈曲而退出工作,致使支撐屈曲后不能有效地耗散能量,嚴重降低了結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了有效消除普通鋼架結(jié)構(gòu)弊端、改善中心支撐的屈曲性能,提出了一種可以避免支撐屈曲新的鋼結(jié)構(gòu)體系,使得支撐在地震作用下不發(fā)生屈曲。鑒于該體系的巨大使用性能,美國、日本等國廣泛使用,并表現(xiàn)出了良好的抗震性能,可是在我國應(yīng)用范圍則較小。為了推進BRBF在我國應(yīng)用,有必要使大眾了解其優(yōu)勢及應(yīng)用,便于更多人將其應(yīng)用于工程。

1屈曲約束支撐框架體系的優(yōu)勢

屈曲約束支撐,也叫防屈曲支撐、抑制支撐以及平穩(wěn)支撐,通過運用鋼材的軸向壓力作用來消耗外界能量。與普通支撐相比,具有以下優(yōu)勢。

(1)具有較高的承載力。

由于地震的不確定性,許多建筑物需要進行防震加固處理,使其具有較強的承載能力。曲約束支撐框架體系中的屈曲約束支撐在鋼芯外設(shè)置了外圍約束套管,可以在受拉、受壓時都發(fā)生屈服而不屈曲,有效消除傳統(tǒng)中心支撐的屈曲問題,并使支撐具有了較高的承載力。因此,該體系在強震中具有較強、穩(wěn)定的能量耗散能力,減少地震帶來的破壞力。

(2)具有良好的延性和滯回性能。

通常情況下,屈曲約束支撐在彈性階段工作時就如同普通支撐體系一樣,可以為結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度,能夠有效抵抗小震及風載的作用;在彈塑性階段工作時具有良好的延性和滯回性能,形成了強大的變形能力。由此可見,屈曲約束支撐就如同一個性能優(yōu)良的耗能消散設(shè)備,可用于抵御強震的作用。

(3)有效保護主體結(jié)構(gòu)。

屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力,在強震中可以起到“保險絲”的作用,保護主體結(jié)構(gòu)在強震中不屈曲或不發(fā)生較為嚴重的損壞。與此同時,在地震過后便于更換損壞的支撐,具有良好的經(jīng)濟效益。

(4)有效減少相鄰構(gòu)件受力。

普通支撐體系受壓屈曲,導致受拉和受壓時承載力差異較大,而約束支撐框架體系則完全不具有這樣的問題。因為,當約束支撐呈“人”、“V”型時,支撐受壓產(chǎn)生的內(nèi)力最大時才會等于受拉承載力,故不會形成較大的差異,并有效減少了相鄰構(gòu)件的受力。

2屈曲約束支撐框架體系在工程中的應(yīng)用

鑒于屈曲約束支撐框架體系具有優(yōu)良的抗震性能,其在建筑加固改造、建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛使用。下面以其在某建筑不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,具體論述屈曲約束支撐體系的應(yīng)用。

2.1 工程概況

某市擬建一座辦公大樓,建筑總體面積達到31200平方米,地下室2層、地面樓高為9層,地上3層為大底盤、3層以上為上塔樓。鑒于該建設(shè)項目屬于不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu),抗側(cè)剛度要求極其高。

2.2 設(shè)計原則

基于該項建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,采用使用單純的框架結(jié)構(gòu),整個鋼架結(jié)構(gòu)剛度和強度難以達到設(shè)計要求,并且不能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的層間位移角要求。所以,采用單純的框架結(jié)構(gòu)是不實際的。倘若采用在樓梯間等位置布置剪力墻,不對稱地布墻會導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴重的扭轉(zhuǎn)問題,尤其該建筑本身就需要一定的扭轉(zhuǎn)問題。因此,此種方式也是不可取的。倘若使用普通鋼支撐,是能夠避免扭轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)及提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力,可是在地震作用下就會受壓出現(xiàn)屈曲。如果采用增大支撐面防止支撐出現(xiàn)屈曲問題,更會導致支撐在地震作用下受壓更大,反而不利于形成較強的結(jié)構(gòu)抗震性能。

為了保證建筑物具有足夠強度和剛度,以及良好的抗震能力,可以采用屈曲約束支撐框架體系。在設(shè)計屈曲約束支撐框架前,需要設(shè)計人員研究與分析以下問題:如何控制樓層位移比率;如何提高連體部分的抗震能力;如何解決樓板大開洞問題。

2.3 工程設(shè)計

(1)控制樓層位移比率。

由于該擬建辦公大樓3層以上為雙塔樓,兩塔樓剛性差異較大,且相互之間不對稱情況導致樓體中心不穩(wěn)與剛心不相吻合,形成了較大的樓層位移比率。為了有效控制樓層位移比率,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時兩塔樓應(yīng)采用不同的柱截面,并適當?shù)卦O(shè)置鋼支撐以增強框架的剛度,避免剛度和重心存在較大的偏心率。另外,加上本建筑物采用的混凝土結(jié)構(gòu)是屈曲約束支撐框架體系,能夠保證辦公樓在地震作用下完全屈曲能量,使建筑整體具有較強的抗側(cè)剛度和優(yōu)良的延性。

(2)提高連體部分的抗震能力。

為了提高兩塔樓連體部分的抗震能力,使該部分具有良好的結(jié)構(gòu)延性,部分衍架應(yīng)當采用鋼結(jié)構(gòu)形式,與之相連的則使用混凝土結(jié)構(gòu)。由于連接部位屬于薄弱部位,抗震級別應(yīng)當高出其他部位一級或幾級,相應(yīng)地提高了框架軸壓的要求,應(yīng)當采用型鋼的混凝土柱,能夠提高其延性。并且,在豎向強外力作用下,連接部位的部分鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件強度與穩(wěn)定構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)分別小于0.85和0.9。另一方面,倘若遇到中型地震,必須保證連接部位衍架具有一定的強度,具體措施就是提高部分樓板厚度、采用雙層雙向配筋,并提高配筋率,防止變形和樓板拉力增大等問題。

(3)解決樓板大開洞問題。

在該工程項目中,樓板大開洞位置在邊框框架處。由于該框架邊柱是躍層柱,相對而言需要進一步增強柱的抗側(cè)能力和延性,這就需要利用加大柱截面及增加柱內(nèi)配筋的方法達到這一目的。

(4)節(jié)點連接。

良好的節(jié)點連接是混凝土結(jié)構(gòu)強度和剛度的基本保證,因此,屈曲約束支撐與梁柱之間的節(jié)點連接尤為重要。通常情況下,屈曲約束支撐框架體系中經(jīng)常采用高強度螺栓連接節(jié)點。當然,連接板長度和螺栓數(shù)量并不是隨意決定的,設(shè)計人員通過精確計算方能確定。

3結(jié)語

與普通支撐框架相比,屈曲約束支撐框架具有承載力高、延性和滯回性能良好、保護主體結(jié)構(gòu)、減少相鄰構(gòu)件受力及抗震能力強等優(yōu)勢,有效消除了傳統(tǒng)支撐受壓屈曲的弊端,具有了較高的剛度和強度性能。鑒于該結(jié)構(gòu)體系的有巨大優(yōu)勢,應(yīng)當在地震易發(fā)生地帶多多采用該種框架結(jié)構(gòu),能夠有效減少地震帶來的人員傷亡及經(jīng)濟損失。因此,國內(nèi)應(yīng)當加大對屈曲約束支撐框架體系研究及推廣力度,使其在全國各地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,為人們的生命財產(chǎn)安全提供有力保障。

參考文獻

[1] 劉晴云,閆鋒,汪大綏,等.屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2009(4).

[2] 林泉,彭偉.屈曲約束支撐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用[J].四川建筑,2011(3).

[3] 趙帥.屈曲約束支撐在大型鐵路站房中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計,2011(3).

[4] 季俊杰.屈曲約束支撐在不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2011(3).