面向高層建筑結構的屈曲約束支撐減震技術研究

趙一鳴 陳淵鴻 夏巨偉

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，地震工程領域對建筑工程結構抗震設計的認識逐漸加深。傳統(tǒng)通過加強結構剛度或加大結構延性來提升結構抗震性能的方式，因其在大幅度提升建造成本的情況下卻無法取得預期的抗震減震效果，且結構震后的修復難度極大，已經(jīng)逐漸無法滿足“三水準”設防的要求。

為改變這種狀況，工程界開始對可恢復功能結構體系進行研究，主要是通過結構本體的可恢復性以及消能減震裝置的可恢復性來提升結構在地震作用下的柔性和延性，使得結構在地震作用下發(fā)生大位移變形，從而耗散大量的地震能量，達到盡可能降低地震損傷的目的。

屈曲約束支撐（buckling restrained brace，BRB）是目前用于高層建筑結構的一種主要的消能減震裝置。國內外大量研究表明，采用BRB加固的高層建筑結構，其整體抗震性能明顯增強；BRB設備呈現(xiàn)出了極好的耗能能力，且影響了結構塑性鉸的分布，在非極端地震情況下能夠明顯避免結構關鍵構件的損傷，為結構功能可恢復提供了保障。本文將重點對面向高層建筑結構的屈曲約束支撐開展研究，探討屈曲約束支撐設計原理與應用形式，以及施工工藝、施工要點、施工監(jiān)控方法等，供有關工程借鑒。

1 屈曲約束支撐設計原理與應用形式

1.1 減震原理

作為近年來廣泛采用的消能減震阻尼器裝置，屈曲約束支撐由核心的芯材、約束套筒和滑動層裝置等3個部分構成，如圖1所示。

圖1 屈曲約束支撐結構

圖1中芯材一般直接作用于建筑結構兩側框架柱之間，起到軸向支撐受力作用。為擴大芯材的耗能范圍，應對不同建筑結構減隔震要求，芯材的截面一般可以采用H形、十字形、一字形、T形或管形[1]等，常見的截面形式如圖2所示。

圖2 屈曲約束支撐常見截面形式

芯材的材料特征為具有較低的屈服點，能夠相較主體結構更早地進入屈服狀態(tài)，替代主體結構發(fā)生損傷。約束套筒不參與軸向受力，主要是為芯材在軸向受壓狀態(tài)下的屈曲失穩(wěn)提供橫向約束，防止芯材發(fā)生受壓失穩(wěn)后出現(xiàn)彎曲屈服狀態(tài)，降低其減震耗能效力。而為使芯材在約束套筒的約束下能夠發(fā)生自動伸縮變形，需要在芯材和約束套筒之間添加滑動層裝置，一般可灌入低摩阻的砂漿或混凝土材料，既填充了芯材和約束套筒之間的縫隙，又避免了約束套筒參與軸向受力，使之約束失效。在本質上，屈曲約束支撐通過芯材的彈塑性變形提供耗能能力，而為使得周期往復荷載作用下，屈曲約束支撐不發(fā)生橫向失穩(wěn)，設計了約束套筒提供橫向約束，這也是屈曲約束支撐區(qū)別于常規(guī)支撐的主要特點。

一般來說，屈曲約束支撐在往復循環(huán)荷載作用下，彈性階段滯回曲線面積較小，耗能能力較低；而在進入塑性階段后，內部芯材將發(fā)生較大的位移，而荷載隨著變形的增大將相應減小，滯回曲線面積較大，耗能能力可以大幅度增加。常見的屈曲約束支撐滯回曲線如圖3所示。

圖3 屈曲約束支撐滯回曲線示意

1.2 應用形式

用于高層建筑結構，尤其是用于高層框架梁柱式建筑結構時，屈曲約束支撐可根據(jù)減震需求及柱間距自由地選擇單斜撐、人字形斜撐或V字形斜撐，且均能夠取得較好的減震效果。除了簡單的靠屈曲約束支撐耗能外，近年來還涌現(xiàn)出了組合式屈曲約束支撐的設計理念[1]。組合式屈曲約束支撐一般在基本的屈曲支撐系統(tǒng)的基礎上添加自復位系統(tǒng)，而自復位系統(tǒng)普遍采用彈簧、預應力鋼絞線等提供自動化的回復力，如圖4（a）所示。通過自復位系統(tǒng)的回復力可以提升屈曲支撐系統(tǒng)的滯回性能，增大其減震的范圍。

此外，在可恢復功能結構體系中，也可以采用搖擺框架結構＋屈曲約束支撐共同耗能的方式[2]。該方式通過搖擺框架結構實現(xiàn)地震作用下的主要耗能，并通過屈曲約束支撐實現(xiàn)地震作用下的輔助耗能，如圖4（b）所示。搖擺框架結構主要是使部分結構柱的柱腳有小范圍的轉動，形成柱腳位置的剛度折減，實現(xiàn)耗能。一種較為簡單的實現(xiàn)柱腳轉動的方式為：將柱腳的固定螺栓孔尺寸做大，使其與固定螺栓之間有微小的間隙，從而為柱腳的轉動提供約束釋放。

圖4 兩種組合式應用形式示意

2 屈曲約束支撐施工

2.1 施工工藝流程

屈曲約束支撐的施工工藝并不復雜，但對精度控制的要求較高，較大的安裝誤差將會嚴重影響屈曲約束支撐的實際工作性能。其整體施工工藝流程如下：

1）預埋件安裝。在需要安裝屈曲約束支撐的預定支座位置安裝預埋件，預埋件位置偏差應控制在±1 cm以內，以避免斜向受力。一般情況下，預埋件可根據(jù)設計要求安裝在梁上或柱上。預埋件安裝一般在箍筋綁扎之前，并應當在梁柱混凝土澆筑前對預埋件進行精確校正和臨時固定約束。

2）節(jié)點板焊接安裝?，F(xiàn)場加工節(jié)點板或采用屈曲約束支撐配置的節(jié)點板進行現(xiàn)場安裝。節(jié)點板與預埋件精確焊接安裝。在焊接前，可采用激光定位方式進行屈曲約束支撐兩側節(jié)點板的精確定位，微調節(jié)點板位置。

3）支撐起吊和臨時固定。采用手拉葫蘆吊進行屈曲約束支撐的起吊操作，吊索穿入屈曲約束支撐兩側吊耳中，采用兩側不等高方式進行起吊。起吊后，先人工牽引屈曲約束支撐下部節(jié)點，并與下部節(jié)點臨時固定；然后起吊屈曲約束支撐上部節(jié)點到達上部節(jié)點板位置，可通過臨時支架進行就位和臨時固定。

4）支撐校正和焊接固定。支撐校正需保證支撐沿軸向受力，即支撐的中軸線、節(jié)點板的中軸線、兩端固定的柱/梁的中軸線應盡可能在同一直線上，且應滿足設計對受力路徑的要求。校正完畢后，將支撐的兩端進行焊接固定，并將芯材與節(jié)點板進行焊接安裝。

5）約束套筒內灌漿。在屈曲約束支撐的約束套筒兩端用蓋板封住[3]，并在蓋板上開孔用于灌漿。灌漿應當分批次進行，可從上下同時灌入，確保內部混凝土漿灌送均勻，并具有一定的密實度。

2.2 施工工藝要點

在預埋件安裝過程中，為避免預埋件影響到正常鋼筋骨架的綁扎成形，可先進行局部箍筋的綁扎，后進行預埋件的定位放置和臨時固定，再進行主筋安裝和整體箍筋的綁扎。鋼筋骨架安裝后，應預留空間用于混凝土澆筑前預埋件的微調。

預埋件上應給出中軸線定位標記，使屈曲約束支撐兩端節(jié)點的預埋件基本達到對中狀態(tài)?；炷翝仓?，采用方木或鋼筋進行預埋件的臨時固定，混凝土澆筑和振搗過程中，盡量避免預埋件位置發(fā)生大幅度移動。

屈曲約束支撐安裝之前應當進行進場檢驗驗收，包括芯材材質、鋼結構外形狀態(tài)、涂層狀態(tài)、零件狀態(tài)等，當發(fā)現(xiàn)與實際設計圖紙不符合時，應及時反饋生產(chǎn)廠家作出調整。如屈曲約束支撐套件中未包含節(jié)點板，則應當根據(jù)實際情況進行節(jié)點板的現(xiàn)場加工及涂裝。

屈曲約束支撐安裝過程中，由于上下節(jié)點板尺寸未必一致，且零配件眾多，為提升安裝效率，可對所有的節(jié)點板、屈曲約束支撐構配件進行事先編號，并根據(jù)編號進行現(xiàn)場安裝時的匹配。

某工程中采用基于二維碼/RFID的檢索/查詢措施，通過二維碼/RFID等技術提供詳細的安裝信息供現(xiàn)場使用，取得了較好的成效，大幅度提升了現(xiàn)場安裝的效率，其掃碼記錄信息格式如表1所示。此外，如屈曲支撐安裝過程中發(fā)現(xiàn)上下梁柱節(jié)點板出現(xiàn)偏差，影響支撐芯材的安裝時，應當及時進行節(jié)點板的糾偏操作。

表1 掃碼后讀取信息

屈曲約束支撐安裝完成后，需要進行焊縫探傷檢測以及防銹漆的處理，并根據(jù)需要進行防火處理。焊縫探傷檢測可通過目測＋超聲波探傷的方式進行，其中抽檢超聲波探傷的通過率需達到100%。檢查合格后的焊縫位置，噴涂防銹漆、面漆，厚度不小于屈曲約束支撐的出廠涂裝厚度。防火處理時，采用與主體結構相同的處理措施。

2.3 施工監(jiān)控方法

本文設計了一種基于激光定位和激光測距方式的屈曲約束支撐空間定位方法，用于輔助屈曲約束支撐的三維空間定位和節(jié)點板定位。該方法有利于提高定位精度和定位效率。

通過2個激光探頭A、B，實現(xiàn)激光測距功能，通過高精度的距離測量，實現(xiàn)對于屈曲約束支撐中軸線和兩側立柱中軸線空間位置是否相符的有效評估；基于芯柱的長度測量結果，并考慮重力效應下的長度與受力的換算，直接計算得到屈曲約束支撐的初始內力，并對剩余的彈性耗能能力進行計算。

1）將設備放置在屈曲約束支撐下方節(jié)點板位置，設備的中軸線與屈曲約束支撐的中軸線對齊，采用激光探頭B，沿屈曲約束支撐的中軸線向上發(fā)射，記錄B探頭打入上部固定耳板的位置。

2）采用激光探頭A沿重力方向測量，測量屈曲約束支撐上部固定耳板到地面的距離，在地面的點位放置靶點，獲取垂直距離。

3）調節(jié)激光探頭A對準靶點，對準位置應當在水平方向與柱中心線一致，激光探頭B對準屈曲約束支撐的中軸線，分別獲取水平距離和斜向距離。

如屈曲約束支撐中軸線與柱中軸線一致，則水平距離、斜向距離、垂直距離應當是完整的三角函數(shù)關系。在無法滿足三角函數(shù)關系的情況下，應當認定屈曲約束支撐安裝中軸線與柱中軸線有一定程度的偏離，影響了屈曲約束支撐功能實現(xiàn)。

芯柱初始耗能內力有可能對芯柱的整體耗能能力造成不利影響。產(chǎn)生初始耗能內力的原因主要是安裝空間位置不當，導致芯柱被人為地拉長或縮短，從而減少了其可用彈性范圍。因此，可以通過水平距離、斜向距離、垂直距離的偏差對屈曲約束支撐現(xiàn)有的耗能能力進行評估。

3 結語

高層建筑中的屈曲約束支撐可以有效耗散地震能量，在抗震工程中發(fā)揮著日益重要的作用。本文研究探討了屈曲約束支撐的技術原理、應用形式和施工方法等，為屈曲約束支撐的高效高質安裝提供支撐。