屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用

姚長軍

摘要：作為當(dāng)前建筑支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基本形態(tài)，屈曲約束支撐具有優(yōu)良的滯回性能;其能實(shí)現(xiàn)建筑抗震性能的有效保障。本文在闡述屈曲約束支撐基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，對其抗震加固的有限元模型進(jìn)行分析，并指出屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)抗震加固中的具體應(yīng)用。以期有利于屈曲約束支撐應(yīng)用質(zhì)量的提升，進(jìn)而推動建筑工程行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：屈曲約束支撐;建筑結(jié)構(gòu);抗震加固;有限元

隨著建筑工程的不斷發(fā)展，人們對于建筑抗震性能的要求不斷提升;鋼結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能較為突出，故而在建筑工程中的應(yīng)用不斷廣泛。傳統(tǒng)工程建設(shè)中，抗彎鋼框架體系、支撐框架結(jié)構(gòu)以及雙重結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的三種基本形態(tài)，然而隨著建筑高度的增加，鋼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生柔性變化，影響整體的剛度和抗震性能。基于此，屈曲約束支撐得以應(yīng)運(yùn)而生。

一、屈曲約束支撐的基本內(nèi)涵

屈曲約束支撐是鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)的全新形態(tài)，其包含了軸力構(gòu)件單元、屈曲約束單元、連接單元和隔離單元四個(gè)基本組成部分^[1]。支撐應(yīng)用中，四個(gè)單元結(jié)構(gòu)相互影響，相互作用。具體而言，軸力構(gòu)件單元能夠?qū)崿F(xiàn)軸向荷載的有效消除;在其周圍環(huán)包有屈曲約束單元，一旦軸力構(gòu)件單元受壓或受壓較大，則屈曲約束單元會發(fā)生作用，防止其變形現(xiàn)象的發(fā)生。連接單元應(yīng)用的目的在于是實(shí)現(xiàn)屈曲約束支撐與建筑結(jié)構(gòu)的連接，一般情況下，其處于軸力構(gòu)件單元的兩端。隔離單元應(yīng)用中，橡膠、聚乙烯、硅膠等材料是其應(yīng)用的基本形態(tài)，其能防止軸力構(gòu)件單元芯材對屈曲約束單元的作用，確保了結(jié)構(gòu)整體支撐能力的提升。

二、屈曲約束支撐抗震性能的有限元分析

1、屈曲約束支撐的有限元模擬

抗震設(shè)計(jì)過程中，傳統(tǒng)的房屋設(shè)計(jì)以梁、柱以及節(jié)點(diǎn)的塑性變形進(jìn)行地震輸入能力吸收。從應(yīng)用過程來看，這種應(yīng)用結(jié)構(gòu)的非線性變形較為明顯，在地震過程中受拉力和壓力的作用較為直接，導(dǎo)致其修復(fù)難度及成本的增加。

屈曲約束支撐應(yīng)用中，若受到地震拉力或壓力作用，則其會表現(xiàn)出較為突出的滯回性能和耗能能力，并使得自身的滯回曲線更加飽滿，滯回環(huán)不會出現(xiàn)剛度退化^[2]。從宏觀力學(xué)性能看，屈曲約束支撐可近似表達(dá)為雙線型模型的Wen塑性模型（見圖1）。有限元模擬過程中，通過塑性連接單元的應(yīng)用，即可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)中屈曲約束支撐單元的有效模擬;并在工程設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制下，即可實(shí)現(xiàn)塑性模型參數(shù)的準(zhǔn)確把控。工程實(shí)踐中，為確保Wen塑性模型把控的規(guī)范，設(shè)計(jì)人員需對屈服后剛度比和屈服指數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。一般情況下，屈服后剛度比取值為0.01，而屈服指數(shù)取值為2。

屈服約束支撐框架有限元分析過程中，一旦受地震荷載作用，則軸心受力構(gòu)件會受到拉力和壓力兩種作用。拉力作用下，軸心拉力、構(gòu)件凈截面面積、材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等都會對構(gòu)件受力值產(chǎn)生影響。其關(guān)系可表示為：

式中，a表示構(gòu)件的受力狀況;而N和A_n分別表示軸心拉力和構(gòu)件凈截面面積;此外，f代表了材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由式可知，為確保屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的支撐能力，應(yīng)對其材料抗拉強(qiáng)度進(jìn)行充分保證，從而確保其在受拉狀態(tài)下的狀態(tài)良好。

受壓狀態(tài)下，材料抗壓強(qiáng)度和構(gòu)件穩(wěn)定性是影響其支撐效果的兩個(gè)基本要素。當(dāng)材料抗壓強(qiáng)度確定后，構(gòu)件穩(wěn)定性可表達(dá)為：

式中，A表示構(gòu)件的毛截面面積，而F為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。通常，軸心受壓構(gòu)架內(nèi)的穩(wěn)定系數(shù)取正數(shù)，且取值范圍小于1^[3]。普通構(gòu)件應(yīng)用中，其抗壓能力與抗拉能力存在較大差距，構(gòu)件存在較大的長細(xì)比，故而壓力承受能力較弱，而在屈曲約束支撐中，高階模態(tài)下芯材屈曲的極限荷載得以有效控制，從而在提升材料受壓能力的同時(shí)，確保了其抗彎曲性能的有效提升

2、屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用特征

基于屈曲約束支撐有限元分析可知，建筑結(jié)構(gòu)抗震加固中，屈曲約束支撐的應(yīng)用具有以下特征：其一，屈曲約束支撐應(yīng)用中，受壓穩(wěn)定性問題得以控制，一旦遇到風(fēng)載或地震作用，其承載能力可達(dá)到普通建筑的2～10倍;并且在相同承載條件下，屈曲約束支撐的截面積相對較小，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變?nèi)幔湓谘娱L結(jié)構(gòu)自振周期的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了地震反應(yīng)的良好控制。其二，中震作用下，屈曲約束支撐的塑性變性相對有限，工程建設(shè)人員只需將產(chǎn)生塑性變性的約束支撐予以更換，即可實(shí)現(xiàn)震后建筑的繼續(xù)使用，具有較強(qiáng)的屈服承載能力。其三，一旦發(fā)生較大強(qiáng)度的地震作用，則屈曲約束支撐可憑借著優(yōu)越的變形能力和滯回能力，實(shí)現(xiàn)大振作用能量的有效消耗，從而確保建筑抵御大震能力的增強(qiáng)。

三、屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)抗震加固中的具體應(yīng)用

1、工程概況

某酒店工程項(xiàng)目位于上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)，工程建設(shè)總跨度較廣，其中，南北界線分別為盈港東路和會鼎路，而東西走向由蟠祥路延伸至蟠龍路。建筑總面積為18216.2平方米。酒店主體結(jié)構(gòu)建設(shè)中，為確保酒店抗震性能的可靠，鋼結(jié)構(gòu)屈曲約束支撐是其基本的建設(shè)形態(tài)。具體建設(shè)中，酒店樓層總高為47m，分11層建設(shè)施工，其中檐口標(biāo)高為43.6米，柱高和跨度均為8.4米，建筑總用鋼為1900噸。

2、屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用

本酒店工程屬于新建鋼結(jié)構(gòu)建筑?？拐鸺庸腆w系應(yīng)用中，工程建設(shè)人員對屈曲約束支撐的鋼框架承載能力進(jìn)行分析，并在有限元模型控制下，實(shí)現(xiàn)了抗側(cè)力的有效保證。具體而言，工程建設(shè)人員首先對材料的防屈曲性能進(jìn)行計(jì)算，確保了地震作用下，材料抗壓能力的滿足，并且在材料用量控制中，實(shí)現(xiàn)了抗振特性與經(jīng)濟(jì)效益的吻合。另外，本項(xiàng)目系平面結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，而豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建筑新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，這就使得平面和豎向的地震荷載分擔(dān)出現(xiàn)較大差異。平面結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，本工程適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行屈曲約束支撐材料規(guī)格的優(yōu)化，確保了其結(jié)構(gòu)阻尼效果的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了抗震穩(wěn)定性的提升。而在豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，薄弱層、加強(qiáng)層應(yīng)用是屈曲約束支撐應(yīng)用的主要形式。在不規(guī)則豎向結(jié)構(gòu)的薄弱層，建筑的側(cè)向剛度和承載力會有所下降，此時(shí)在屈曲約束支撐加強(qiáng)層設(shè)置下，建筑不規(guī)則變性的發(fā)生概率大大縮小，有效的保證了酒店抗震能力的提升提升。

結(jié)論

屈曲約束支撐對于建筑抗震能力提升具有深刻影響。實(shí)踐過程中，工程建設(shè)人員只有充分認(rèn)識到屈曲約束支撐的應(yīng)用優(yōu)勢，并在分析其抗震性能影響因素的同時(shí)，進(jìn)行實(shí)際工程建設(shè)的規(guī)范應(yīng)用，才能確保屈曲約束支撐應(yīng)用質(zhì)量的提升，進(jìn)而推動建筑工程行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

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（作者單位：中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司上海分公司）