屈曲約束支撐在工程中的應用

□文/夏寶陽 蔡旭 榮彬 馮昌喜

屈曲約束支撐在工程中的應用

□文/夏寶陽 蔡旭 榮彬 馮昌喜

天津濱海新區(qū)市民活動中心結構形式為帶屈曲約束支撐的框架結構。屈曲約束支撐框架（BRBF）是一種新型的帶支撐的框架形式，它克服了傳統(tǒng)中心支撐框架易屈曲的缺點和在延性、耗能能力上的局限性。文章結合工程實例，詳細介紹了屈曲約束支撐框架體系的施工要點、特性和工程應用。

屈曲；約束支撐；抗震

框架結構體系具有平面布置靈活、空間較大、便于施工、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，是一種非常普遍的建筑結構形式，在工程中有著十分廣泛的應用。但是框架結構的抗側(cè)移剛度較小，抗震性能差，因此在實際工程中常在框架結構中設置豎向支撐，這樣可以顯著地提高框架結構的抗側(cè)力能力，這種設置了支撐的框架結構稱為支撐框架體系［1］。傳統(tǒng)的中心支撐框雖然構造簡單便于施工，但其抗震性能較差，易在水平地震作用下屈曲，不利于能量耗散。因此相對于傳統(tǒng)的中心支撐框，一種新型支撐框架屈曲約束支撐框架（BRBF）被提出來，它克服了傳統(tǒng)中心支撐框架易屈曲的缺點和在延性、耗能能力上的局限性，可以在建筑結構抗震設計方面發(fā)揮重大作用。本文介紹該體系的特點及其在天津濱海新區(qū)文化中心市民活動中心工程中的實際應用。

1　工程概況

天津濱海新區(qū)市民活動中心坐落于濱海文化中心北面，臨旭升路，地下2層，地上7層，建筑面積41 027.6 m2，主要屋面頂標高34.5 m，局部屋面頂標高37.5 m，結構形式為帶屈曲約束支撐的框架結構，見圖1。

圖1　濱海市民活動中心

2　屈曲約束支撐的應用

2.1屈曲約束支撐

屈曲約束支撐的主要結構可以概括為核心單元、約束單元和滑動機制單元3部分，見圖2。核心單元是屈曲約束支撐的關鍵構件，它承受支撐所承受的全部軸力并通過承受該軸力發(fā)生屈曲變形從而達到耗能的目的。核心單元的作用是使支撐在地震作用下先于梁柱結構進入塑性階段，從而發(fā)揮耗能減震作用，減輕震害，因此其材料一般選用屈服點較低的鋼材以保證及早屈服。約束單元約束是約束核心單元，使核心單元近似保持軸向受拉受壓的狀態(tài)并保證在兩種狀態(tài)下均能屈服。滑動機制單元介于核心單元和約束單元之間，可以看作兩者之間的一層隔離層。由于泊松效應作用，核心單元受壓會側(cè)向膨脹，在核心單元和約束單元間設置有一定厚度的隔離層可減小或消除核心單元傳給約束單元的力［2～4］。

圖2　屈曲約束支撐結構

屈曲約束支撐的基本工作原理：在地震作用下核心單元承受支撐所承受的全部軸向力。此軸向力可分為軸向拉力和軸向壓力兩個方向，軸向拉力下核心單元可正常屈服耗能，軸向壓力作用下核心單元會在屈服前發(fā)生受壓屈曲，耗能作用將小于軸拉情況。因此，使用約束單元包裹核心單元，限制其側(cè)向彎曲，從而有效避免核心單元受壓屈曲，使核心單元可以正常的受壓屈服耗能。

2.2工程應用

考慮到天津?qū)儆诘卣鸶吡叶鹊貐^(qū)，濱海市民活動中心設計時加入了屈曲約束支撐。屈曲支撐共72根，為耗能型（焊接），核心單元為十字形構件，約束單元為箱型構件，與框架的連接形式是焊接十字型接頭。BRBF安裝與主體結構同步進行，先進行臨時固定，待主體安裝完畢后再進行最終固定，見圖3。

圖3　屈曲約束支撐安裝流程

屈曲支撐安裝前檢查節(jié)點板在施工過程中出現(xiàn)的平面偏移。平面偏移不得超過節(jié)點處最厚板厚的1/3，當超過時，應進行相應的糾偏措施。節(jié)點位置偏移消除后，對支撐進行安裝就位后，對支撐位置進行調(diào)整和校正并采用有效的固定方式進行臨時固定。支撐臨時固定后，先焊接上端部節(jié)點，后焊接下端部節(jié)點。見圖4和圖5。

圖4　屈曲約束支撐安裝

圖5　支撐端部焊接順序

3　屈曲約束支撐作用

屈曲約束支撐在受拉壓軸向力時均可達到屈服，充分發(fā)揮材料耗能性能，與傳統(tǒng)中心支撐相比承載能力有效提高，支撐作用完整體現(xiàn)，耗能能力增強，兩者的滯回曲線見圖6。

圖6　BRBF和普通支撐的性能對比［4］

使用屈曲約束支撐框架對既有框架體系進行減震加固，可提高整體結構的抗震性能且屈曲約束支撐、附加框架與既有框架協(xié)同工作良好?？蚣芙Y構的破壞形式主要為梁端破壞和柱端破壞，底層中柱易出現(xiàn)剪切型斜裂縫，而導致結構柱發(fā)生壓力作用下的剪切破壞。屈曲約束支撐可有效避免結構柱過早出現(xiàn)剪切裂縫，抑制裂縫的發(fā)展，提高柱子抗剪承載力并將可能出現(xiàn)的柱端塑性鉸轉(zhuǎn)移到梁端，形成強柱弱梁的屈服機制，明顯改善框架的抗震性能［5］。

多遇地震作用時屈曲約束支撐具有和普通支撐一樣的作用，可增強結構的抗側(cè)剛度。而在罕遇地震作用時，屈曲約束支撐不僅可以增強結構的抗側(cè)剛度，還能再結構進入屈服階段后繼續(xù)工作。研究表明，屈曲約束支撐的滯回曲線飽滿，具有很好的耗能能力和延性。大幅提高結構的抗震性能和延性，使結構在強地震作用下不至于倒塌。

屈曲約束支撐在受拉壓軸向力時均可達到屈服，充分發(fā)揮材料耗能性能，在地震作用后產(chǎn)生塑性變形的支撐可以方便地更換，有利于震后修復工作［6］。

4　結論與展望

結合天津濱海新區(qū)市民活動中心工程中的具體應用，詳細介紹了屈曲約束支撐的構成、基本原理及其施工技術。屈曲約束支撐的核心單元承受支撐所承受的全部軸力，約束單元約束核心單元使其在拉壓狀態(tài)下均能屈服，滑動機制單元作為隔離層減小或消除核心單元因受壓膨脹傳給約束單元的力。屈曲約束支撐在受拉壓軸向力時均可達到屈服，充分發(fā)揮材料耗能性能，克服了傳統(tǒng)中心支撐框架易屈曲的缺點和在延性、耗能能力上的局限性，而且屈曲約束支撐在地震作用后產(chǎn)生塑性變形的支撐可以方便地更換，有利于震后修復工作，可以減少相應的維修成本，因此屈曲約束支撐在建筑結構抗震設計中具有良好的應用前景。

［1］劉睿.支撐框架在鋼筋混凝土結構中的研究綜述［J］.建筑安全，2014，29（12）：25-29.

［2］楊昌民，牧野俊雄，李宏男.防屈曲支撐的研究進展及其工程應用［J］.建筑科學與工程學報，2011，28（4）：75-85.

［3］章宏東，方鴻強，王玨.高層鋼結構住宅建筑中防屈曲耗能支撐技術的研究與應用［J］.建筑結構學報，2011，（S1）：142-146.

［4］汪家銘，中島正愛，陸燁.屈曲約束支撐體系的應用與研究進展（I）［J］.建筑鋼結構進展，2005，7（1）：1-12.

［5］黃海濤，高向宇，李自強，等.用附加防屈曲支撐鋼筋混凝土框架加固既有鋼筋混凝土框架抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2013，34（12）：52-61.

［6］李國強，胡大柱，孫飛飛.屈曲約束支撐鉸接鋼框架結構體系抗震性能［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2008，36（12）：120-124.

□蔡旭/天津開發(fā)區(qū)建設工程監(jiān)理公司。

□榮彬、馮昌喜/天津大學建筑工程學院。

TU375.4

C

1008-3197（2016）04-07-03

2016-03-28

夏寶陽/男，1979年年出生，工程師，天津開發(fā)區(qū)建設工程監(jiān)理公司，從事工程監(jiān)理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.003

□課題項目：國家自然科學基金：矩形鋼管混凝土柱隔板貫通式節(jié)點核心區(qū)的抗震性能研究（51268054）