防屈曲耗能支撐在某石化塔架項目中的應用

黃國良

1 防屈曲耗能支撐簡介

支撐是一種最為經濟的抗側力構件，它既能提高結構的剛度和承載力，又不影響建筑采光以及內部空間的分割，且施工方便。傳統的帶支撐框架有中心支撐框架和偏心支撐框架。中震和強震時，中心支撐框架中的支撐會受壓屈曲和受拉屈服，而屈曲會使受壓承載力降低，從而限制了支撐作為抗側力構件的耗能能力，因而大多數抗震規范都對中心支撐的抗震承載力進行調低［1］。偏心支撐框架通過偏心梁段的屈服從而限制支撐的屈曲，可使結構具有較好的耗能性能。但是偏心梁段屈服，地震后結構修復較為困難，且支撐的剛度得不到充分發揮。

由于支撐屈曲不利于能量耗散，因此相對于傳統的中心支撐框架，提出了一種新的可以避免支撐屈曲的體系，稱為防屈曲耗能支撐鋼框架。防屈曲耗能支撐由芯材，外套筒以及套筒內無粘結材料組成(見圖1)。雖然防屈曲耗能支撐形式多樣，但原理基本相似，利用剛度較大的外套筒擬制中心芯板的屈曲［2］。支撐的中心是芯材，為避免芯材受壓時整體屈曲，即在受拉和受壓時都能達到屈服，芯材被置于一個鋼套管內，然后在套管內灌注填充材料，該填充材料具有一定的強度，又有較好的密實性，且耐久性優越。為減小或消除芯材受軸力時傳給填充材料的力，而且由于泊松效應，芯材在受壓情況下會膨脹，因此在芯材和砂漿之間設有一層無粘結材料或非常狹小的空氣層［3］。

防屈曲耗能支撐解決了普通鋼支撐的失穩破壞的問題，使鋼結構支撐在受拉和受壓時候性能一致，從而大大提高了鋼材的利用率。防屈曲耗能支撐成為了結構的耗能元件，起到結構“保險絲”的作用［4］。防屈曲耗能支撐結構延性好，耗能能力增強，且防屈曲耗能支撐施工方法與普通鋼結構支撐相同，施工進度快，質量可靠。結構采用防屈曲耗能支撐時，建筑物在遭遇強烈地震后，主體結構將不會破壞，從而保護建筑物內人員安全和財產安全。

2 工程實例

2.1 項目概況

某石油化工項目的多層鋼結構平臺，高約18 m。各層平臺無鋪板，設置水平支撐以保證結構水平方向的整體剛度;豎向采用普通鋼支撐(V形及人字形中心支撐)作為主要抗側力構件，其截面主要由穩定控制，而強度有很大富余。結構所處地理位置的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，場地類別為Ⅳ類。由于防屈曲耗能支撐具有承載能力高、耗能能力好、充分發揮鋼材性能的優點，本文將主要對防屈曲耗能支撐方案的可行性進行分析。防屈曲耗能支撐在彈性狀態下的承載力比普通支撐提高3倍～10倍，其截面可大大減小，從而節省用鋼量［5］。此外，強地震作用下，防屈曲耗能支撐可起到結構阻尼器的作用，采用防屈曲耗能支撐后，能保護主體結構在大震下不破壞。

原設計方案采用普通支撐作為抗側力構件，結構的三維圖以及支撐的布置位置如圖2所示。現采用防屈曲耗能支撐代替原截面為HW250×250×9×14的普通H型鋼截面支撐，一共24根。防屈曲耗能支撐截面選用熱軋H型鋼HW100×100×6×8。

2.2 結構動力特性

結構在采用防屈曲耗能支撐方案后，結構各階周期明顯增大(見表1)，雖然第二階振型仍為扭轉振型，但第三階振型以平動振型為主，而普通支撐方案第三階振型以扭轉振型為主，可見新方案對結構整體布置更為有利。此外，總質量減小，也可減小地震作用，對上部結構及基礎都有利。

表1 結構動力特性列表

2.3 結構位移驗算

結構位移驗算結果見表2。

表2 結構位移列表

2.4 經濟指標

采用防屈曲耗能支撐方案后，結構抗震安全性能得以提高，梁柱構件強度可以得到更充分的利用;此外，由于支撐剛度降低，結構地震作用減小，也對梁柱受力有利。兩種結構方案的用鋼量比較見表3。

表3 原方案未調整截面時結構總用鋼量

3 結語

采用防屈曲耗能支撐方案后，結構性能和經濟性等都得以提高。本可行性分析中，除將普通鋼支撐改為防屈曲耗能支撐外，未修改結構其余構件。

1)采用防屈曲耗能支撐后，被改造支撐的總用鋼量減少5.6 t，支撐用鋼量比原結構節省約76%。其余構件內力也基本保持不變或稍有降低，可見結構總體用鋼量得到了有效降低。另外由于結構變輕，地震作用減小，也可降低結構基礎造價。2)采用防屈曲耗能支撐后，結構彈性性能滿足規范要求，由于剛度變柔，結構周期增大，位移響應增大，因此可大大減輕結構的地震作用。結構扭轉效應、結構豎向承載能力及剛度變化規律與原結構基本保持不變。3)采用防屈曲耗能支撐后，結構在大震下的抗震性能可得到較大改善，結構的耗能能力增強，且可達到保護主體結構構件的目的，震后修復方便。采用防屈曲耗能支撐的結構在大震下的性能可通過靜力及動力彈塑性分析得以驗證。4)采用防屈曲耗能支撐后，結構抗震安全性能得以提高，梁柱構件強度可以得到更充分的利用;此外，由于支撐剛度降低，結構地震作用減小，也對梁柱受力有利。采用防屈曲耗能支撐并對結構進行整體優化后，總用鋼量比原方案少近50 t，節省用鋼量約38%。

［1］張志陽.防屈曲支撐框架結構的設計與分析［J］.城市軌道交通研究，2007，10(7):49-53.

［2］王華琪，丁潔民，何志軍.防屈曲支撐的應用與設計［J］.結構工程師，2007，23(4):6-11.

［3］李國強，孫飛飛，陳素文，等.大噸位國產TJⅡ型屈曲約束支撐的研制與試驗研究［J］.建筑鋼結構進展，2009，11(4):22-26.

［4］謝 強，趙 亮.帶有屈曲約束支撐雙重結構體系的抗震性能［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2008，24(2):221-225.

［5］劉晴云，閆 鋒，汪大綏，等.屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結構設計中的應用［J］.建筑鋼結構進展，2009，11(4):27-34.