屈曲支撐在某框架結(jié)構(gòu)中的合理應(yīng)用

黃昌厚　李佩佩

摘 要：屈曲約束支撐作為一種新型抗震耗能構(gòu)件，應(yīng)用日漸廣泛。以實(shí)際工程為例，文章詳細(xì)介紹了屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的布置原則及計(jì)算方法，著重闡述屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的諸多要點(diǎn)，并對(duì)加設(shè)屈曲約束支撐前后結(jié)構(gòu)抗震性能的變化進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在混凝土框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量的屈曲約束支撐，可有效改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。文章結(jié)果對(duì)屈曲約束支撐的推廣應(yīng)用具有積極的推動(dòng)作用，可為相似工程的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)、借鑒。

關(guān)鍵詞：屈曲約束支撐；混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震性能；抗側(cè)剛度；層間位移角

目前，我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防三個(gè)水準(zhǔn)目標(biāo)：“中震可修、小震不壞、大震不倒”是在1976年唐山地震后提出并在89抗震規(guī)范予以明確的規(guī)定，也是確保結(jié)構(gòu)安全最基本的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

屈曲約束支撐作為一種抗震耗能構(gòu)件，在日本、美國(guó)等國(guó)家應(yīng)用已較為普遍，它是金屬屈服耗能裝置中的一種，在多遇地震作用下，它處于彈性范圍，與主體結(jié)構(gòu)共同組成豎向桁架體系，使整體結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度；在大震作用下，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和層間位移的增大，將產(chǎn)生較大的阻尼消耗輸入的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，起到一定的“保險(xiǎn)絲”作用，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)震中免遭破壞。此類(lèi)結(jié)構(gòu)滯回耗能性能優(yōu)良，施工安裝方便、經(jīng)濟(jì)，在現(xiàn)今及未來(lái)的工程實(shí)際中將會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用。文章通過(guò)某實(shí)際工程，介紹了屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中諸多設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，可為今后相似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本工程為某技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)樓綜合樓工程，總建筑面積32281.81m2，抗震設(shè)防烈度為7度，地上局部高層為9層，結(jié)構(gòu)高度38.4m，建筑安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，根據(jù)《分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》，該工程屬于乙類(lèi)建筑，應(yīng)按8度進(jìn)行抗震計(jì)算和構(gòu)造，高層框架抗震等級(jí)一級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)選型

筆者起初對(duì)于局部高層部分（已用抗震縫與其他多層部分分開(kāi)）按普通混凝土框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)一級(jí)，通過(guò)試算后發(fā)現(xiàn)柱子截面尺寸需要1～1.4m，對(duì)建筑使用空間的影響很大，并且柱子配筋十分困難，后又采用多種方案進(jìn)行試算比對(duì)，現(xiàn)對(duì)幾種初選方案進(jìn)行簡(jiǎn)單歸納如下表1：

表1

結(jié)構(gòu)方案 結(jié)構(gòu)

重量 施工

速度 小震性能 大震性能

混凝土框架—剪力墻 較重 較慢 剪力墻較少時(shí)容易超筋，當(dāng)增加剪力墻至不超筋時(shí)結(jié)構(gòu)布置影響建筑使用功能，結(jié)構(gòu)剛度較大，不經(jīng)濟(jì) 連梁及框架梁柱為主要耗能構(gòu)件，修復(fù)困難

混凝土框架—普通支撐 較輕 較快 結(jié)構(gòu)剛度較大，扭轉(zhuǎn)性能好 普通支撐受壓屈曲，框架梁柱易出現(xiàn)塑性鉸

混凝土框架—屈曲約束支撐 較輕 較快 結(jié)構(gòu)剛度適中，扭轉(zhuǎn)性能好，屈曲約束支撐布置靈活 屈曲約束支撐為主要耗能構(gòu)件，保護(hù)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件

混凝土框架 輕 較快 結(jié)構(gòu)剛度較小，結(jié)構(gòu)體系無(wú)法滿足規(guī)范要求 框架梁柱為主要耗能構(gòu)件，修復(fù)困難

通過(guò)以上比對(duì)能直觀的看出采用混凝土框架-屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)最為合理。

2.1 屈曲約束支撐設(shè)計(jì)方法

2.1.1 布置方式

屈曲約束支撐的立面示意圖如下圖1所示，布置位置可根據(jù)建筑平面靈活布置，也可放置于隔墻中，可根據(jù)平面交通的需要采用V形、人字形或單斜桿布置，不會(huì)對(duì)建筑的使用功能及外立面產(chǎn)生影響。

2.1.2 布置原則

屈曲約束支撐應(yīng)布置在能最大限度地發(fā)揮其耗能作用的部位，同時(shí)又要兼顧建筑功能的使用要求，并滿足結(jié)構(gòu)整體受力的需要。屈曲約束支撐布置原則如下：

（1）地震作用下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大支撐內(nèi)力的部位。

（2）地震作用下層間位移較大的樓層。

（3）宜沿結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別布置。

2.2 計(jì)算方法

以SATWE為例，定義屈曲約束支撐的方法與定義普通鋼支撐方法類(lèi)似。首先初步擬定鋼支撐芯材的等效截面面積，在斜桿布置中，選用正方形截面型式，按等效截面面積折算參數(shù)輸入，將斜桿布置于相應(yīng)位置處。定義完成后，進(jìn)入SATWE前處理中選擇“2.特殊構(gòu)件補(bǔ)充”，檢查屈曲約束支撐兩端節(jié)點(diǎn)是否為鉸接，如不是，需將支撐兩端定義為鉸接。之后，進(jìn)入SATWE前處理的“生成SATWE數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)檢查”項(xiàng)，檢查完畢后進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋計(jì)算，計(jì)算完畢后查看結(jié)構(gòu)總體指標(biāo)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力是否滿足要求。

查看計(jì)算結(jié)果時(shí)，屈曲約束支撐的長(zhǎng)細(xì)比會(huì)出現(xiàn)不滿足要求的狀況，由于屈曲約束支撐構(gòu)件本身滿足穩(wěn)定性的要求，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算時(shí)無(wú)需考慮其自身穩(wěn)定問(wèn)題，僅查看支撐構(gòu)件強(qiáng)度是否滿足承載力要求。

2.3 帶屈曲約束支撐的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）調(diào)試支撐截面大小及數(shù)量：根據(jù)支撐成品的外觀尺寸，在不影響建筑室內(nèi)空間和使用功能要求前提下，初步確定芯材截面的等效截面面積，在PM里采用斜桿單元定義鋼支撐構(gòu)件，在平面相應(yīng)位置布置一定數(shù)量的支撐，進(jìn)行結(jié)構(gòu)試算，如果層間位移角、周期比、剛度比等指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，可采取改變支撐等效截面面積、增加支撐數(shù)量、改變支撐布置形式或改變平面布置位置等措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（2）整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼比取值不應(yīng)大于0.045，或按混凝土框架部分和鋼支撐部分在結(jié)構(gòu)總變形能所占的比例折算為等效阻尼比。

（3）多遇地震作用計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角控制在1/80左右。需要注意的是，在進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)阻尼比應(yīng)取0.0。

（4）支撐節(jié)點(diǎn)處框架梁梁寬不宜小于350mm，以方便安裝節(jié)點(diǎn)板，且上下層的平面位置宜確保支撐中心線在一個(gè)豎向平面內(nèi)。當(dāng)上下層支撐中心線無(wú)法保證在一個(gè)豎向平面內(nèi)時(shí)，中心線的間距不應(yīng)大于柱寬的1/4。

（5）當(dāng)門(mén)窗不能放置于支撐與梁、柱間的間隙時(shí)，支撐與門(mén)窗要注意避讓?zhuān)怪c門(mén)窗不在一個(gè)豎向平面內(nèi)，該層上下梁寬需加大或偏移布置。當(dāng)支撐斜桿軸線偏離混凝土柱軸線超過(guò)柱寬1/4時(shí)，柱計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮支撐引起的附加彎矩影響。

（6）支撐可嵌入填充墻內(nèi)，但墻內(nèi)的構(gòu)造柱、圈梁等混凝土非主體受力構(gòu)件的鋼筋不應(yīng)直接焊于支撐外層的鋼套管上，可用鋼構(gòu)件做過(guò)度連接，同時(shí)支撐與墻體間設(shè)一定厚度的水泥砂漿保護(hù)層。

（7）支撐布置于樓梯間時(shí)，支撐與梯柱、梯梁應(yīng)避開(kāi)，方法有：①將人字支撐改成V形撐或單斜撐，同時(shí)調(diào)整梯柱、梯梁位置，使之與支撐錯(cuò)開(kāi)；②加大梁寬，使支撐和梯柱、梯梁布置在兩個(gè)豎向平面內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)總體指標(biāo)對(duì)比

3.1 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量基本一致，相差不超過(guò)1.5%，見(jiàn)下表3.1。

3.2 結(jié)構(gòu)周期

結(jié)構(gòu)前三個(gè)周期及平動(dòng)扭轉(zhuǎn)情況的計(jì)算結(jié)果如下表3.2所示：

3.3 結(jié)構(gòu)位移角

在考慮雙向地震作用時(shí)，純框架模型：X向最大層間位移角為1/439（6層）；Y向最大層間位移角為1/439（6層）。未滿足《抗規(guī)》第5.5.1條規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大位移角1/550的限值。

而結(jié)構(gòu)加了BRB模型后：X向最大層間位移角為1/610（6層）；Y向最大層間位移角為1/603（6層）。均滿足《抗規(guī)》第5.5.1條規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大位移角1/550的限值。

3.4 結(jié)構(gòu)位移比

在考慮地震作用時(shí)，純框架模型：X向最大層間位移比為1.13（2層）；Y向最大層間位移比為1.12（2層）。BRB模型：X向最大層間位移角為1.10（2層）；Y向最大層間位移角為1.11（2層）。

通過(guò)以上對(duì)比，可以看出純框架結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)計(jì)算中主要存在如下問(wèn)題：

（1）層間位移角過(guò)大，不滿足規(guī)范1/550的限值要求。

（2）周期比稍大，扭轉(zhuǎn)剛度偏小。

通過(guò)在X、Y向增設(shè)BRB（支撐的布置位置盡量不影響建筑），屈曲約束支撐方案達(dá)到以下效果：

（1）提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，使層間位移角滿足規(guī)范要求。

（2）由于支撐對(duì)撐布置，較大幅度增加了結(jié)構(gòu)抗扭剛度，改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期，進(jìn)一步的降低了結(jié)構(gòu)的周期比。

計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震作用下，采用屈曲約束支撐方案，結(jié)構(gòu)抗側(cè)及抗扭剛度得到提高，能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的各項(xiàng)指標(biāo)控制要求。

4 對(duì)比結(jié)果

4.1 抗震性能

原有結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)為，建筑高寬比較大，抗側(cè)剛度小，位移大，導(dǎo)致所需要的梁柱截面都會(huì)相應(yīng)增加?；炷量蚣芮s束支撐結(jié)構(gòu)體系，質(zhì)量輕，本身結(jié)構(gòu)吸收的地震作用就比框架剪力墻結(jié)構(gòu)小很多，因此，結(jié)構(gòu)的梁柱截面也會(huì)相應(yīng)減小很多，并且屈曲約束支撐，作為耗能構(gòu)件率先屈服耗能，從而保護(hù)了主體框架梁柱不發(fā)生破壞，而屈曲約束支撐如果發(fā)生耗能破壞后，方便更換，保證結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)安全使用。

混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系除了具有常規(guī)的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)外，由于引入了耗能減震構(gòu)件-屈曲約束支撐，還具有如下較為顯著的特點(diǎn)：

對(duì)普通支撐結(jié)構(gòu)，大震作用下一旦支撐屈曲，結(jié)構(gòu)剛度迅速退化，大震作用下的抗震性能難以保證；由于普通支撐截面比屈曲約束支撐大，結(jié)構(gòu)剛度明顯增大，多遇地震下地震力也顯著增大；普通支撐結(jié)構(gòu)由于地震力的增大，不僅增大抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（框架柱、梁及支撐）用鋼量，同時(shí)也增加地基基礎(chǔ)、節(jié)點(diǎn)連接的費(fèi)用。

由于屈曲約束支撐可以不受穩(wěn)定和長(zhǎng)細(xì)比的限制，因此，采用屈曲約束支撐可任意調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度來(lái)滿足規(guī)范的要求；屈曲約束支撐在多遇地震作用下處于彈性工作狀態(tài)，能夠給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度和抗扭剛度；在設(shè)防烈度地震甚至罕遇地震作用下，屈曲約束支撐的芯板進(jìn)入屈服滯回耗能階段，能夠極大地耗散地震輸入的能量，從而減小框架梁柱的塑性變形，保護(hù)梁柱不會(huì)發(fā)生大的破壞；強(qiáng)震后屈曲約束支撐檢查、更換方便，便于建筑在大震后的迅速修復(fù)使用。

因此，框架-屈曲約束支撐體系具有很大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)某實(shí)際工程，介紹了耗能型屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

（1）加設(shè)屈曲約束支撐后，框架結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度增大，彈性層間位移角及彈塑性層間位移角限值比框架結(jié)構(gòu)宜適當(dāng)提高。

（2）屈曲約束支撐可降低超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響，改善混凝土純框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）對(duì)于建筑平面布置要求比較高，限定柱截面，無(wú)法滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置的結(jié)構(gòu)，加設(shè)屈曲約束支撐是一個(gè)解決問(wèn)題的途徑。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：黃昌厚（1973- ），男，山東德州人，本科，德州市建筑規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師；李佩佩（1986-），女，山東德州人，本科，德州市建筑規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，中級(jí)工程師。