孫紅虎， 吳 爽， 張立成， 胡日清

(1. 陜西建工集團(tuán)總公司建筑設(shè)計(jì)院， 陜西 西安 710054；2.北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050； 3. 湖北建科國際工程有限公司， 湖北 武漢 430070)

防屈曲支撐在某廠房結(jié)構(gòu)加固改造中的應(yīng)用

孫紅虎1， 吳 爽2， 張立成2， 胡日清3

(1. 陜西建工集團(tuán)總公司建筑設(shè)計(jì)院， 陜西 西安 710054；2.北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050； 3. 湖北建科國際工程有限公司， 湖北 武漢 430070)

防屈曲支撐(BRB)作為一種金屬屈服耗能支撐構(gòu)件，克服了普通支撐受壓屈曲的缺點(diǎn)，在地震中具有良好的耗能能力和延性。為了研究防屈曲支撐在加固改造結(jié)構(gòu)中的耗能減震效果，本文采用MIDAS/GEN對(duì)設(shè)置防屈曲支撐的某廠房加固改造結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明:設(shè)置防屈曲支撐以后，結(jié)構(gòu)的抗震性能顯著提高，本研究為防屈曲支撐在加固改造結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了成功的工程案例，其設(shè)計(jì)思路可以為加固改造結(jié)構(gòu)的減震提供有益的借鑒和參考。

加固改造； 防屈曲支撐(BRB)； 耗能減震； 結(jié)構(gòu)分析； 抗震性能評(píng)價(jià)

隨著城市快速發(fā)展，我國早期建設(shè)的一些紗廠、紡織廠由于生產(chǎn)力低下，技術(shù)落后等原因遭到了市場(chǎng)的淘汰，存在大量工業(yè)廠房閑置、占用城市資源的現(xiàn)象。目前，有不少城市利用這些廢棄廠房，進(jìn)行加固改造[1，2]，建設(shè)了一批具有特色的逐漸發(fā)展成為畫廊、藝術(shù)中心、旅游、購物等各種功能聚合的建筑，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)代藝術(shù)、建筑空間、文化產(chǎn)業(yè)與歷史文脈及城市生活環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。比如北京798藝術(shù)工廠、云南創(chuàng)意倉庫和重慶501基地。

本文以西安某紗場(chǎng)為工程背景，利用消能減震技術(shù)將紗場(chǎng)廠房進(jìn)行加固改造成為商業(yè)建筑，消能減震技術(shù)近些年迅速發(fā)展，與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)概念相比，消能減震技術(shù)[3，4]原理為在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位設(shè)置耗能元件以達(dá)到吸收地震力，增加結(jié)構(gòu)阻尼從而減小主體結(jié)構(gòu)在地震作用下受到的沖擊。近幾年，這項(xiàng)新技術(shù)得到了眾多學(xué)者和設(shè)計(jì)師的青睞。

1 工程概況

本工程位于西安市太華南路，原結(jié)構(gòu)用作紗場(chǎng)廠房，改造后建筑功能成為商業(yè)建筑。本文所涉及的結(jié)構(gòu)為圖1所示紗場(chǎng)的N1樓，改造后的結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)，整體設(shè)地上二層，局部三層，結(jié)構(gòu)在一、二層之間有一個(gè)層高2 m的夾層，二層以上采用輕鋼結(jié)構(gòu)?？偨ㄖ娣e17040 m2，建筑高度24.80 m，如圖2所示。

圖1 N1樓區(qū)位示意

圖2 廠房改造后MIDAS/GEN模型

本工程改造后使用年限為30年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震第一組，建筑場(chǎng)地類別為II類，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為5%。

2 結(jié)構(gòu)改造方案

2.1 傳統(tǒng)加固改造設(shè)計(jì)

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)，常規(guī)加固方案一般采用加大柱截面或增設(shè)剪力墻等方法提高結(jié)構(gòu)抗震能力。這種方法在很多情況下是有效的，但也存在以下問題：(1)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面過大、配筋過多，材料花費(fèi)較多，工程造價(jià)大幅度提高，而且使得建筑使用功能受到限制；(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、配筋增大后，結(jié)構(gòu)剛度將大幅度增加，結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量也將大幅度增加；(3)地震能量將主要由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形來耗散，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在大震中損壞嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)損傷模式仍然難以控制，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全不利；(4)加固施工復(fù)雜，抗震構(gòu)造措施有時(shí)難以滿足要求；(5)拆除量大，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量大，工期較長。

2.2 消能減震設(shè)計(jì)方案

地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)物吸收了大量的地震能量，必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或消耗才能最后終止振動(dòng)反應(yīng)。結(jié)構(gòu)消能減震體系，就是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位裝設(shè)消能裝置[5]。在風(fēng)或小地震時(shí)，這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。當(dāng)發(fā)生中、強(qiáng)地震時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，提供較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)震中免遭嚴(yán)重破壞，確保結(jié)構(gòu)安全。采用消能減震方案，不僅保證結(jié)構(gòu)在地震作用下獲得更高可靠度，而且與傳統(tǒng)方案相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)濕作業(yè)工作量少，施工時(shí)間短，節(jié)約施工成本，對(duì)原結(jié)構(gòu)影響?。?2)消能器占用空間少，布置靈活，對(duì)建筑的使用功能限制少，日后可根據(jù)需要改變布置位置；(3)消能器的安裝對(duì)施工進(jìn)度影響較小，根據(jù)工程的具體情況，消能器可選擇先裝、后裝，或與主體結(jié)構(gòu)施工同時(shí)進(jìn)行。(4)僅需對(duì)個(gè)別豎向構(gòu)件進(jìn)行加固，無需增設(shè)抗震墻，減少加固工程量。(5)在地震作用下，結(jié)構(gòu)加速度及速度響應(yīng)較常規(guī)結(jié)構(gòu)小，可提高建筑的舒適度，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。(6)采用消能減震技術(shù)可以通過提高建筑物的抗震性能來提升房屋的性能。

根據(jù)本工程特點(diǎn)，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年代較久，在新版規(guī)范下計(jì)算，層間位移角超限，梁柱超筋，如果采用傳統(tǒng)加固方式，加固量較大，同時(shí)無法控制層間位移角。采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方案，不論從結(jié)構(gòu)的抗震性能還是經(jīng)濟(jì)性都會(huì)差于消能減震方案。但同時(shí)本工程由于建筑功能的改變，不可避免的需要改變結(jié)構(gòu)形式，增設(shè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因此，本工程采用在一定的傳統(tǒng)加固改造基礎(chǔ)上，合理的增設(shè)消能減震構(gòu)件，起到有效減小工程加固量，改善結(jié)構(gòu)性能，節(jié)約成本的效果。

3 消能減震設(shè)計(jì)

3.1 消能阻尼器選擇

目前，市面上普遍使用兩種類型的阻尼器：位移型阻尼器和速度型阻尼器，二者的區(qū)別主要是位移型阻尼器可以為結(jié)構(gòu)同時(shí)提供剛度和阻尼，而速度型阻尼器僅為結(jié)構(gòu)提供阻尼力。本工程由于結(jié)構(gòu)較柔，層間位移較大，采用位移型阻尼器較為合理，本工程采用屈曲約束支撐作為消能減震元件進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。

3.2 防屈曲支撐

防屈曲支撐(Buckling Restrained Brace，簡稱BRB)是一種新型耗能支撐[6]，屬于位移型消能器，其具有良好的穩(wěn)定性能，在受拉和受壓時(shí)均能達(dá)到屈服并產(chǎn)生較大的塑性變形，具有飽滿的滯回曲線，見圖3。

圖3 BRB典型滯回曲線

構(gòu)造上防屈曲支撐分為三部分：內(nèi)核單元、約束單元和無黏結(jié)層，構(gòu)造如圖4。

防屈曲支撐工作原理為核心單元是防屈曲支撐的主要受力元件，外圍約束構(gòu)件為核心元件提供足夠的約束，防止其受力發(fā)生整體失穩(wěn)或者局部失穩(wěn)，通過核心元件屈服后的塑性變形消耗能量，與普通鋼支撐受壓易屈曲相比，防屈曲支撐有著明顯的優(yōu)越性。在結(jié)構(gòu)中加入防屈曲支撐，可以有效的增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小地震反應(yīng)，增加建筑物的抗震能力，并且實(shí)現(xiàn)基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)[7]。BRB長期使用功能及維護(hù)費(fèi)用都具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，是目前實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的消能器之一[8～ 11]。

圖4 BRB構(gòu)造

3.3 阻尼器布置

本工程通過在結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置BRB，BRB在地震作用下屈服，吸收耗散地震能量，使主體結(jié)構(gòu)吸收地震能量減小，同時(shí)為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度,抑制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)[12]。

在結(jié)構(gòu)1、2層共設(shè)置16根BRB，單斜桿式放置，圖5為現(xiàn)場(chǎng)吊裝BRB。性能參數(shù)如表1，各層BRB布置方案如圖6、表2所示。

圖5 防屈曲支撐現(xiàn)場(chǎng)吊裝過程

圖6 防屈曲支撐布置

長度/mm屈服荷載/kN極限荷載/kN數(shù)量/根630080012006660080012006680080012002710080012002

表2 各層BRB布置數(shù)量 根

4 設(shè)置防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)分析

采用MIDAS公司開發(fā)的MIDAS/GEN有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

4.1 周期振型

未設(shè)置BRB及設(shè)置BRB在各模態(tài)下的結(jié)構(gòu)周期計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比 s

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果,三種結(jié)構(gòu)的前三階振型都分別為X向平動(dòng)、Y向平動(dòng)及扭轉(zhuǎn)。從表3可見,未設(shè)置防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)周期明顯長于防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu),這是由于防屈曲支撐在小震下為結(jié)構(gòu)提供了剛度引起的。

4.2 反應(yīng)譜分析

采用振型反應(yīng)譜法考察了框架結(jié)構(gòu)體系、防屈曲耗能支撐框架結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的彈性性能。

進(jìn)行小震下的反應(yīng)譜彈性計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的位移比結(jié)果對(duì)比如表4，位移比是指樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值?？梢灾涝Y(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)比1.28超過規(guī)范要求的1.20限值，結(jié)構(gòu)加入BRB有效改善了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)比滿足規(guī)范要求。

表4 結(jié)構(gòu)位移比最大值對(duì)比

同時(shí)，BRB還為結(jié)構(gòu)提供了一定的側(cè)向剛度，原結(jié)構(gòu)層間位移角小于1/550,不滿足規(guī)范要求，加入BRB后結(jié)構(gòu)位移角較未加BRB的結(jié)構(gòu)均有顯著減小，如表5、圖7。設(shè)置BRB后，結(jié)構(gòu)各樓層層間位移角均滿足規(guī)范的要求并有足夠富余，層間位移角最多減小了28.83%。

表5 結(jié)構(gòu)層間位移角最大值對(duì)比

圖7 層間位移角對(duì)比

4.3 彈性時(shí)程分析

采用MIDAS公司開發(fā)的MIDAS/GEN有限元軟件對(duì)消能減震方案進(jìn)行了時(shí)程分析。

時(shí)程分析主要針對(duì)結(jié)構(gòu)多遇地震下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況進(jìn)行分析。根據(jù)規(guī)范要求時(shí)程分析選取了3組地震波，包括2組天然波和1組人工波，如圖8～10所示。加速度峰值調(diào)至70 gal。不同地震波下位移值及結(jié)構(gòu)層間位移角計(jì)算結(jié)果見圖11、表6。

圖8 Taft波

圖9 00074波

圖10 人工波

通過彈性時(shí)程分析，從圖11可以看出在小震作用下，設(shè)置BRB后層位移明顯減小。從表6也可以得出，原結(jié)構(gòu)在彈性時(shí)程分析中層間位移角難以滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，加入防屈曲支撐后，最大層間位移角減小，結(jié)構(gòu)性能得到加強(qiáng)。

圖11 不同地震波下位移值對(duì)比

樓層地震波未設(shè)置BRB設(shè)置BRB2Taft波1/3991/70300074波1/4351/601人工波1/5861/756夾層Taft波—1/69200074波1/5441/598人工波1/7181/7561Taft波1/3691/64200074波1/4321/552人工波1/5881/696

4.4 靜力彈塑性分析(Pushover分析)

對(duì)本工程進(jìn)行靜力彈塑性分析(Pushover分析)，以評(píng)估此建筑主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能。采用我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范定義的地震影響系數(shù)曲線，得到在罕遇地震條件下的需求譜?？拐鹨?guī)范提供的加速度譜為彈性譜，需利用等效阻尼折減為適用于大震作用下的彈塑性需求譜。圖12為罕遇地震下能力譜法分析結(jié)果(圖中藍(lán)色曲線為能力譜，紅色曲線為通過迭代求出的與能力譜真實(shí)相交的8度罕遇地震需求譜，藍(lán)色的需求譜和紅色的能力譜相交于一點(diǎn)，即罕遇地震性能控制點(diǎn))。罕遇地震下性能點(diǎn)及靜力推覆分析下BRB受力見表7、圖13。

圖12 靜力推覆能力與需求曲線

結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)V/kND/m未設(shè)置BRB16324.220.28設(shè)置BRB18157.380.18

注：表中V為結(jié)構(gòu)基底剪力；D為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移。

圖13 靜力推覆分析下BRB受力

由表7可知，阻尼器結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，對(duì)應(yīng)性能點(diǎn)的最大層間角位移為1/58，小于規(guī)范規(guī)定的1/50的彈塑性層間位移角限值。而未設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/47，不滿足規(guī)范要求。由圖13可知，BRB在地震作用下受力達(dá)到屈服荷載后屈曲耗能，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，提高抗震性能的作用。

5 結(jié)論

為達(dá)到改變使用功能以及滿足我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求的目的，本文利用防屈曲支撐對(duì)一棟老舊工業(yè)廠房進(jìn)行加固改造，通過本文的研究分析，可以得到結(jié)論；

(1)原結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過受力性能分析得出抗震性能不足，結(jié)構(gòu)位移比以及層間位移角均超過我國現(xiàn)有規(guī)范的限值要求，原結(jié)構(gòu)在地震作用中可能遭受嚴(yán)重的破壞，需要采取措施限制。

(2)采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固改造，在結(jié)構(gòu)中布置防屈曲支撐，利用防屈曲支撐調(diào)節(jié)了結(jié)構(gòu)平面及豎向剛度，降低了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)層間位移角顯著減小。

(3)對(duì)原結(jié)構(gòu)以及采用消能減震技術(shù)后的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性對(duì)比分析表明：結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后，罕遇地震下設(shè)置防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)層間位移較原結(jié)構(gòu)減小了35%，防屈曲支撐性能良好，能夠較早進(jìn)入屈服耗能階段，有效的耗散了地震能量。

(4)隨著時(shí)代的發(fā)展，越來越多的老舊建筑需要進(jìn)行加固改造，采用消能減震設(shè)計(jì)可以有效提高結(jié)構(gòu)性能。本文利用防屈曲支撐對(duì)老舊廠房的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行創(chuàng)新，為改善加固改造結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了一種新的思路。

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Application of Buckling Restrained Brace in the Structure of a Factory

SUNHong-hu1,WUShuang2,ZHANGLi-cheng2,HURi-qing3

(1.Shanxi Jiangong Group Corp Building Design Institute， Xi’an 710054， China； 2.Beijing Yishexu Technology Co Ltd，Beijing 100050， China； 3. Hubei Jianke International Engineering Co Ltd， Wuhan 430070， China)

As a kind of energy dissipation brace members by the yielding of mental,Buckling Restrained Brace (BRB) can overcome shortcomings of the common braces’ compression buckling,which has good energy dissipation capacity and ductility under earthquake. In order to study the BRB effect in the reinforcement and reconstruction structure,the MIDAS/GEN is adopted to make a structural analysis and comparison of the results of the reinforced structure of a factory building with buckling restrained brace. The results show the structural seismic performance has been improved significantly, a successful engineering case is provided for the application of BRB in the damping design of Reinforcement and reconstruction structure. The design ideas can provide useful reference and reference for the vibration reduction of the reinforced structure.

reinforcement and reconstruction; buckling restrained brace(BRB); seismic energy dissipation; structure analysis; seismic performance evaluation

2016-02-23

2016-05-19

孫紅虎(1975-)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ炭拐?Email:HongHuSun@126.com)

TU746.3; TU375.4

A

2095-0985(2016)06-0033-06