王祖權(quán)

摘 要:屈曲約束支撐框架體系(BRBF)是新近發(fā)明并逐漸得到應(yīng)用的一種抗震框架體系。由于屈曲約束支撐(BRB)在受拉和受壓時(shí)都可屈服而不屈曲,克服了普通支撐體系的缺點(diǎn),具有較強(qiáng)的抗震性能。為了進(jìn)一步使屈曲約束支撐框架體系得到推廣和應(yīng)用,本文初步分析了其優(yōu)勢(shì)及在工程中的應(yīng)用,推進(jìn)該體系在我國(guó)得到更深層次地研究與發(fā)展。

關(guān)鍵詞:屈曲約束支撐框架體系優(yōu)勢(shì)應(yīng)用承載力抗震能力

中圖分類(lèi)號(hào):TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(b)-0059-01

普通鋼框架結(jié)構(gòu)的中心支撐在強(qiáng)震中極有可能受壓發(fā)生屈曲而退出工作,致使支撐屈曲后不能有效地耗散能量,嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了有效消除普通鋼架結(jié)構(gòu)弊端、改善中心支撐的屈曲性能,提出了一種可以避免支撐屈曲新的鋼結(jié)構(gòu)體系,使得支撐在地震作用下不發(fā)生屈曲。鑒于該體系的巨大使用性能,美國(guó)、日本等國(guó)廣泛使用,并表現(xiàn)出了良好的抗震性能,可是在我國(guó)應(yīng)用范圍則較小。為了推進(jìn)BRBF在我國(guó)應(yīng)用,有必要使大眾了解其優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用,便于更多人將其應(yīng)用于工程。

1屈曲約束支撐框架體系的優(yōu)勢(shì)

屈曲約束支撐,也叫防屈曲支撐、抑制支撐以及平穩(wěn)支撐,通過(guò)運(yùn)用鋼材的軸向壓力作用來(lái)消耗外界能量。與普通支撐相比,具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)具有較高的承載力。

由于地震的不確定性,許多建筑物需要進(jìn)行防震加固處理,使其具有較強(qiáng)的承載能力。曲約束支撐框架體系中的屈曲約束支撐在鋼芯外設(shè)置了外圍約束套管,可以在受拉、受壓時(shí)都發(fā)生屈服而不屈曲,有效消除傳統(tǒng)中心支撐的屈曲問(wèn)題,并使支撐具有了較高的承載力。因此,該體系在強(qiáng)震中具有較強(qiáng)、穩(wěn)定的能量耗散能力,減少地震帶來(lái)的破壞力。

(2)具有良好的延性和滯回性能。

通常情況下,屈曲約束支撐在彈性階段工作時(shí)就如同普通支撐體系一樣,可以為結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度,能夠有效抵抗小震及風(fēng)載的作用;在彈塑性階段工作時(shí)具有良好的延性和滯回性能,形成了強(qiáng)大的變形能力。由此可見(jiàn),屈曲約束支撐就如同一個(gè)性能優(yōu)良的耗能消散設(shè)備,可用于抵御強(qiáng)震的作用。

(3)有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力,在強(qiáng)震中可以起到“保險(xiǎn)絲”的作用,保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不屈曲或不發(fā)生較為嚴(yán)重的損壞。與此同時(shí),在地震過(guò)后便于更換損壞的支撐,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)有效減少相鄰構(gòu)件受力。

普通支撐體系受壓屈曲,導(dǎo)致受拉和受壓時(shí)承載力差異較大,而約束支撐框架體系則完全不具有這樣的問(wèn)題。因?yàn)?當(dāng)約束支撐呈“人”、“V”型時(shí),支撐受壓產(chǎn)生的內(nèi)力最大時(shí)才會(huì)等于受拉承載力,故不會(huì)形成較大的差異,并有效減少了相鄰構(gòu)件的受力。

2屈曲約束支撐框架體系在工程中的應(yīng)用

鑒于屈曲約束支撐框架體系具有優(yōu)良的抗震性能,其在建筑加固改造、建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用。下面以其在某建筑不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,具體論述屈曲約束支撐體系的應(yīng)用。

2.1 工程概況

某市擬建一座辦公大樓,建筑總體面積達(dá)到31200平方米,地下室2層、地面樓高為9層,地上3層為大底盤(pán)、3層以上為上塔樓。鑒于該建設(shè)項(xiàng)目屬于不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu),抗側(cè)剛度要求極其高。

2.2 設(shè)計(jì)原則

基于該項(xiàng)建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,采用使用單純的框架結(jié)構(gòu),整個(gè)鋼架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并且不能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的層間位移角要求。所以,采用單純的框架結(jié)構(gòu)是不實(shí)際的。倘若采用在樓梯間等位置布置剪力墻,不對(duì)稱(chēng)地布?jí)?huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題,尤其該建筑本身就需要一定的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。因此,此種方式也是不可取的。倘若使用普通鋼支撐,是能夠避免扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)及提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力,可是在地震作用下就會(huì)受壓出現(xiàn)屈曲。如果采用增大支撐面防止支撐出現(xiàn)屈曲問(wèn)題,更會(huì)導(dǎo)致支撐在地震作用下受壓更大,反而不利于形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)抗震性能。

為了保證建筑物具有足夠強(qiáng)度和剛度,以及良好的抗震能力,可以采用屈曲約束支撐框架體系。在設(shè)計(jì)屈曲約束支撐框架前,需要設(shè)計(jì)人員研究與分析以下問(wèn)題:如何控制樓層位移比率;如何提高連體部分的抗震能力;如何解決樓板大開(kāi)洞問(wèn)題。

2.3 工程設(shè)計(jì)

(1)控制樓層位移比率。

由于該擬建辦公大樓3層以上為雙塔樓,兩塔樓剛性差異較大,且相互之間不對(duì)稱(chēng)情況導(dǎo)致樓體中心不穩(wěn)與剛心不相吻合,形成了較大的樓層位移比率。為了有效控制樓層位移比率,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)兩塔樓應(yīng)采用不同的柱截面,并適當(dāng)?shù)卦O(shè)置鋼支撐以增強(qiáng)框架的剛度,避免剛度和重心存在較大的偏心率。另外,加上本建筑物采用的混凝土結(jié)構(gòu)是屈曲約束支撐框架體系,能夠保證辦公樓在地震作用下完全屈曲能量,使建筑整體具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度和優(yōu)良的延性。

(2)提高連體部分的抗震能力。

為了提高兩塔樓連體部分的抗震能力,使該部分具有良好的結(jié)構(gòu)延性,部分衍架應(yīng)當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)形式,與之相連的則使用混凝土結(jié)構(gòu)。由于連接部位屬于薄弱部位,抗震級(jí)別應(yīng)當(dāng)高出其他部位一級(jí)或幾級(jí),相應(yīng)地提高了框架軸壓的要求,應(yīng)當(dāng)采用型鋼的混凝土柱,能夠提高其延性。并且,在豎向強(qiáng)外力作用下,連接部位的部分鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件強(qiáng)度與穩(wěn)定構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)分別小于0.85和0.9。另一方面,倘若遇到中型地震,必須保證連接部位衍架具有一定的強(qiáng)度,具體措施就是提高部分樓板厚度、采用雙層雙向配筋,并提高配筋率,防止變形和樓板拉力增大等問(wèn)題。

(3)解決樓板大開(kāi)洞問(wèn)題。

在該工程項(xiàng)目中,樓板大開(kāi)洞位置在邊框框架處。由于該框架邊柱是躍層柱,相對(duì)而言需要進(jìn)一步增強(qiáng)柱的抗側(cè)能力和延性,這就需要利用加大柱截面及增加柱內(nèi)配筋的方法達(dá)到這一目的。

(4)節(jié)點(diǎn)連接。

良好的節(jié)點(diǎn)連接是混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的基本保證,因此,屈曲約束支撐與梁柱之間的節(jié)點(diǎn)連接尤為重要。通常情況下,屈曲約束支撐框架體系中經(jīng)常采用高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然,連接板長(zhǎng)度和螺栓數(shù)量并不是隨意決定的,設(shè)計(jì)人員通過(guò)精確計(jì)算方能確定。

3結(jié)語(yǔ)

與普通支撐框架相比,屈曲約束支撐框架具有承載力高、延性和滯回性能良好、保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、減少相鄰構(gòu)件受力及抗震能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),有效消除了傳統(tǒng)支撐受壓屈曲的弊端,具有了較高的剛度和強(qiáng)度性能。鑒于該結(jié)構(gòu)體系的有巨大優(yōu)勢(shì),應(yīng)當(dāng)在地震易發(fā)生地帶多多采用該種框架結(jié)構(gòu),能夠有效減少地震帶來(lái)的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。因此,國(guó)內(nèi)應(yīng)當(dāng)加大對(duì)屈曲約束支撐框架體系研究及推廣力度,使其在全國(guó)各地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供有力保障。

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