屈曲約束支撐的創(chuàng)新使用

劉李斌　徐清

摘要：屈曲約束支撐框架（BRBF）是近年發(fā)展起來的一種新興結(jié)構(gòu)體系，由包含鋼框架屈曲約束支撐（BRB）的鋼框架組成。BRB的特點(diǎn)是所受的壓力和張力近乎相等且彈性高。BRB包括通過灌漿填充物固定空心型鋼中內(nèi)的軟鋼芯，這限制了其發(fā)生屈曲。鋼芯與砂漿填料分離，使其獨(dú)立于灌漿作用，由屈服區(qū)和彈性區(qū)組成。

關(guān)鍵詞：彎曲限制支架；地震；未粘合支架

0引言

屈曲約束支撐框架（BRBF）是一種較新型的同心支撐框架系統(tǒng)，其使用在能夠拉伸和壓縮的彈塑性屈服鋼架。

本文概述了BRB的組成部分和特點(diǎn)以及和美國制造商的合作研討，也概述了為奧克蘭大學(xué)兩個(gè)項(xiàng)目B403/404工程學(xué)院和B302南塔提出的BRBF體系的簡要說明。旨在為設(shè)計(jì)師提供一個(gè)大綱，這個(gè)大綱包含在新西蘭BRBF必須考慮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件。

1 BRB的介紹

屈曲約束支架的概念最初是在日本在八十年代后期提出的。初始系統(tǒng)由“夾在”預(yù)制混凝土板之間的鋼板來抑制屈曲。這主要用作抗震框架結(jié)構(gòu)中的滯后阻尼器。

隨后，BRBF在美國得到進(jìn)一步發(fā)展，它作為一種支撐元件，利用可以產(chǎn)生張力和壓縮力的非粘結(jié)鋼芯。該鋼芯被包含在鋼SHS或CHS元件內(nèi)的灌漿包圍，從而限制內(nèi)鋼芯在壓縮載荷下屈曲。在二十世紀(jì)九十年代末期和二十世紀(jì)初期，進(jìn)行了相當(dāng)多的研究和測試，現(xiàn)在三家BRB制造商正在美國申請專有的專利系統(tǒng)。美國使用屈曲約束支撐第一樓建于2000年。到2000年中期，近30個(gè)項(xiàng)目在美國完成或正在進(jìn)行中。針對(duì)中的BRB設(shè)計(jì)指導(dǎo)最近在美國被開發(fā)編寫各種設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針和出版物（例如SteelTIPS，并為鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震AISC規(guī)定）。在美國使用BRBF已經(jīng)越來越受歡迎，目前在美國已完成或正在進(jìn)行的項(xiàng)目已達(dá)到200個(gè)。

BRB在在地震期間能夠承受周期性載荷。通過壓縮和張力屈曲，支架能夠消散大量的地震能量。支撐的抗壓能力與抗拉能力密切相關(guān)，抗壓能力略高于抗拉能力。

內(nèi)部相對(duì)細(xì)長的鋼芯被包裹在灌漿和外部鋼管中。內(nèi)鋼芯承載載荷，水泥漿和鋼管的作用是防止鋼芯在大的壓縮載荷下發(fā)生屈曲。內(nèi)鋼芯和混凝土之間的相交處需要特別處理，因?yàn)閮?nèi)芯會(huì)不粘附到混凝土上。而且，內(nèi)芯構(gòu)件不能被限制，不能屈服。為了防止粘連，確保適當(dāng)?shù)南拗坪妥冃?，全尺寸的支撐體系已經(jīng)由制造商進(jìn)行測試研究。

BRBF在新西蘭使用的很少。據(jù)了解迄今已經(jīng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)項(xiàng)目，但是這些項(xiàng)目所需的支撐能力的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于奧克蘭大學(xué)B403，404和B302項(xiàng)目。目前，“新西蘭法典”并沒有包括有關(guān)BRBF的具體設(shè)計(jì)規(guī)范。但是，美國和加拿大的設(shè)計(jì)規(guī)范可以適應(yīng)新西蘭。筆者建議與相關(guān)的結(jié)構(gòu)同行和當(dāng)?shù)毓芾砭衷缛站驮O(shè)計(jì)方法達(dá)成協(xié)議，以便項(xiàng)目在建設(shè)過程中，相關(guān)的審批程序不會(huì)受到影響。

2無粘結(jié)支撐

無粘結(jié)支撐可焊接固定，可螺栓連接結(jié)構(gòu)。

無粘結(jié)支撐的設(shè)計(jì)和制造均采用“十字形”形狀或“扁平”芯，通過“分離介質(zhì)”與灌漿材料分離。新日鐵工程公司估計(jì)，在福島，巖手，櫪木，墑?dòng)?，千葉，東京和神奈川縣有超過300棟建筑物使用無粘結(jié)支撐——在大東北地區(qū)經(jīng)歷了4-5分鐘的M9.0強(qiáng)烈地震震動(dòng)，但是據(jù)了解，這些結(jié)構(gòu)并沒有失效，其支撐在地震中仍未破壞。

3測試過程

BRB的測試已在美國大量進(jìn)行，包括單軸實(shí)驗(yàn)和其子組件試驗(yàn)。測試程序由AISC 341和FEMA 450編寫。

4奧克蘭大學(xué)項(xiàng)目

Beca目前正在奧克蘭大學(xué)進(jìn)行兩個(gè)重大項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其使用的是BRBF體系。

4.1 B403/404工程學(xué)院

在建的B403/404工程學(xué)院大樓位于奧克蘭市中心城市校區(qū)Grafton路。它是一個(gè)10層的結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的4層混凝土框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的頂部新建6層。有關(guān)三維結(jié)構(gòu)透視圖請參見圖4。

403和404建筑物是1960年代初建成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。403號(hào)樓有三個(gè)現(xiàn)有的懸掛樓層（3，4和5層），而404號(hào)樓有四個(gè)現(xiàn)有的懸掛樓層（2，3，4和5層）。

403和404建筑物有三排鋼筋混凝土框架，位于外部外墻線和中央格柵上，以在縱向（北/南）方向上向建筑物提供橫向承載力，這些框架支撐建筑的重力。在橫向（東/西）方向上的側(cè)向載荷支撐是借助于一對(duì)剪力墻，在兩個(gè)建筑物的兩端都有一個(gè)。兩座建筑物的基礎(chǔ)都包括現(xiàn)澆地基，鋼筋混凝土樁，這是擴(kuò)底基層。地梁在地面上連接這些樁。

②結(jié)構(gòu)體系。

現(xiàn)提出了一個(gè)新的“BRB外框架”鋼架架設(shè)方案，主要是在現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐縱向和橫向的新建樓層荷載。在現(xiàn)有的鋼筋混凝土中心柱上支撐上部新建的6層中心鋼柱。這些現(xiàn)有的鋼筋混凝土柱的加固需要支撐新增的樓層的重力荷載。

鋼框架布置為“單對(duì)角”式的BRB布置，以減少對(duì)梁的載荷。通過限制結(jié)構(gòu)的位移，支撐體系將減少對(duì)混凝土縱向框架和減小對(duì)剪力墻的作用。結(jié)果是橫向荷載下的地基載荷與剪力墻系統(tǒng)施加的地基載荷相比有所降低。這樣可以盡可能地重新使用現(xiàn)有的樁，使新打的樁數(shù)量保持最低。橫向BRB位于現(xiàn)有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)1.7米處，需簡化新樁基礎(chǔ)的安裝。

兩個(gè)內(nèi)部支撐框架線已添加到中央空間的一側(cè)，讓其擁有一些靈活性來創(chuàng)建樓梯結(jié)構(gòu)的樓層空間和樓層之間的連接。這些內(nèi)部支撐的位置也被確定以避免外部縱向BRB。這避免了同時(shí)支撐兩個(gè)主軸的橫向載荷的外部柱。BRB框架布置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是水平和垂直的荷載均勻分布，最大限度地減小扭轉(zhuǎn)發(fā)生。

一個(gè)潛在問題是結(jié)構(gòu)的下半部分暴露在外部，因此在耐用性方面需要特別注意。這種結(jié)構(gòu)的支撐能力對(duì)于UIS而言從3000kN到4000kN不等，最高的具有大約支撐4500kN的能力。表面尺寸從200毫米到350毫米的不等。

4.2 B302南塔endprint

所提到的B302南塔樓是位于奧克蘭市中心城市校區(qū)Symonds Street和Wellesley Street East角落的新建的12層樓。有關(guān)三維結(jié)構(gòu)透視圖，請參見圖5。

①現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有科學(xué)中心的南塔上層建筑由雙層混凝土框架構(gòu)成，具有混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。先打算將上層建筑拆遷至地面，基礎(chǔ)保留，用于建新的B302結(jié)構(gòu)。

②提議的結(jié)構(gòu)體系。

新的B302結(jié)構(gòu)將由大跨度梁支撐的混凝土復(fù)合金屬型鋼組成。這些又由現(xiàn)有的基礎(chǔ)和焊接鋼柱支撐組合。

與之類似的工程學(xué)院，單斜對(duì)角BRB將被用作橫向和縱向上的主要側(cè)向承載體系。支撐布局的負(fù)載擴(kuò)大到四個(gè)結(jié)構(gòu)隔離區(qū)，由于杠桿臂較大，有利于降低基礎(chǔ)載荷。該布置具有簡化連接的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹呜?fù)載可以直接傳遞到下一個(gè)支撐，而不是通過梁傳遞。

BRB均勻分布在結(jié)構(gòu)周邊以減少扭轉(zhuǎn)行為，類似于B403/404，BRB在橫向和縱向方向上設(shè)有共同的柱，以避免荷載集中增加負(fù)載。

BRB布置的一個(gè)特殊問題是結(jié)構(gòu)暴露在外面，并且為了盡量減少對(duì)內(nèi)部建筑布局的影響，角撐板連接已被減小，以減少總體的尺寸，參見圖6。

5設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)這些項(xiàng)目期間遇到了以下問題：

5A基礎(chǔ)

根據(jù)支撐布置（即支架數(shù)量，支撐槽寬度），可以在地基中產(chǎn)生較大的集中壓縮、拉伸載荷。這可能需要較大基礎(chǔ)板構(gòu)件將力傳遞到樁中。

5.2連接方式

所使用的連接類型（螺栓/剛接/焊接）對(duì)BRBF設(shè)計(jì)有很大的影響。所使用的連接類型在滿足美國規(guī)范的同時(shí)也必須滿足各種要求。所使用的連接類型也會(huì)對(duì)框架的受力性能產(chǎn)生影Ⅱ向，因?yàn)閯偨拥氖亲罾硐氲?。這是因?yàn)橐粋€(gè)剛性連接和角撐板可以通過框架的偏移二次傳力給柱，梁和支撐中。由于這個(gè)原因，剛接被認(rèn)為是效果最好的，然而這也需要較大的角撐板，因此其仍將具有不變性。

5.3阻尼

雖然BRB具有和美國設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)的高滯后阻尼，但是這種高水平的滯后阻尼的作用被忽略了。因此，在美國進(jìn)行的試驗(yàn)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的5%遲滯阻尼Ⅱ向應(yīng)譜曲線進(jìn)行評(píng)估的。據(jù)了解采用這種保守的假設(shè)，是為了獲得美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。

5.4強(qiáng)度

美國規(guī)范要求在BRBF結(jié)構(gòu)體系中設(shè)計(jì)非延性構(gòu)件的“非韌性設(shè)計(jì)”方法。這意味著需根據(jù)支撐的預(yù)期變形和通過支撐試驗(yàn)確定特定的曲線以計(jì)算支架超強(qiáng)度力。

5.5彈性與非線性分析

彈性分析如果按照適用于美國規(guī)范估算支撐的非線性變形反應(yīng)譜通常是足夠OCB的設(shè)計(jì)。則彈性分析通常足以用于BRBF的設(shè)計(jì)。

如果需要更高的精度，則可以使用非線性分析。

5.6可施工性

設(shè)計(jì)者需要考慮BRBF的可施工性方面問題，特別是對(duì)螺栓孔直徑的誤差和支撐點(diǎn)長度。還需要考慮如何糾正施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題，如果不符合所規(guī)定的誤差，則可以修改支撐。

5.7地震發(fā)生后

屈曲約束體系不是一個(gè)單獨(dú)體系，它會(huì)在地震結(jié)束后將建筑物恢復(fù)到原來的位置。然而可以將其設(shè)計(jì)為將任何位移限制到可接受的范圍。在地震發(fā)生后，可能會(huì)拆除一些BRB構(gòu)件，并將框架恢復(fù)原位。到目前為止，這個(gè)建筑還沒有完成，但是在M9.0大東北地震之后，日本的BRBF結(jié)構(gòu)中沒有出現(xiàn)任何問題。

5.8耐久性

BRB構(gòu)件的耐久性是一個(gè)待解決的重要問題，特別是在如奧克蘭等沿海地區(qū)。BRB可能需要特殊的保護(hù)，并倡導(dǎo)設(shè)計(jì)師與BRB制造商合作解決該問題。

5.9后續(xù)工作

新西蘭的BRB的設(shè)計(jì)和供應(yīng)已經(jīng)有了很長的時(shí)間，供應(yīng)商估計(jì)需要14到36周的時(shí)間才可交付新西蘭的奧克蘭大學(xué)的相關(guān)項(xiàng)目。

6總結(jié)

總之，與其他傳統(tǒng)的支撐體系相比，BRB在地震荷載下有優(yōu)秀的性能。因此貝卡提出在兩個(gè)奧克蘭大學(xué)項(xiàng)目中使用BRBF。BRB建造由美國的三家專有制造商的其中一家提供。本文概述了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)BRBF結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮的重要事項(xiàng)。endprint