屈曲約束支撐在工程中的應(yīng)用

鄭州交通建設(shè)投資有限公司 時(shí) 松

屈曲約束支撐在工程中的應(yīng)用

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支撐是一種最為經(jīng)濟(jì)的抗側(cè)力構(gòu)件，它既能提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，又不影響建筑采光以及內(nèi)部空間的分割，且施工方便。傳統(tǒng)的帶支撐框架有中心支撐框架CBF（Concentrically Braced Frame）和偏心支撐框架EBF（Eccentrically Braced Frame）。中震和強(qiáng)震時(shí)，CBF中的支撐會(huì)受壓屈曲和受拉屈服，而屈曲會(huì)使受壓承載力降低，從而限制了支撐作為抗側(cè)力構(gòu)件的耗能能力，因而大多數(shù)抗震規(guī)范都對(duì)中心支撐的抗震承載力進(jìn)行調(diào)低。EBF通過偏心梁段的屈服，限制支撐的屈曲，可使結(jié)構(gòu)具有較好的耗能性能。但是由于偏心梁段屈服，地震后結(jié)構(gòu)修復(fù)較為困難，且支撐的剛度得不到完全發(fā)揮。

由于普通支撐受壓屈曲不利于能量耗散，傳統(tǒng)的中心支撐（鋼支撐）在中震和強(qiáng)震時(shí)，支撐會(huì)受壓屈曲，從而限制了支撐作為抗側(cè)力構(gòu)件的耗能能力，且地震后結(jié)構(gòu)修復(fù)困難。因此相對(duì)于傳統(tǒng)CBF提出了一種新的可以避免支撐屈曲的體系，稱為屈曲約束支撐鋼框架BRBF（Buckling Restrained Braced Frame），屈曲約束支撐（Buckling Restrained Brace）由芯材、外套筒以及套筒內(nèi)無(wú)黏結(jié)材料組成。

一、國(guó)內(nèi)外研究情況

1.國(guó)外研究情況。Yoshino是研究屈曲約束支撐的先驅(qū)，他對(duì)稱為“支撐剪力墻”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反復(fù)荷載試驗(yàn)研究。Wakabayashi將鋼板支撐夾在一對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土板之間，進(jìn)行了拉伸、壓縮、子系統(tǒng)以及兩層框架系統(tǒng)的試驗(yàn)。在Wakabayashi研究的基礎(chǔ)上，日本在20世紀(jì)80和90年代對(duì)芯材加鋼管的屈曲約束支撐進(jìn)行了多次研究。Iwata于2000年對(duì)4種在日本商業(yè)應(yīng)用的約束屈曲支撐進(jìn)行了研究。1999年Clark在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了3個(gè)大比例約束屈曲支撐的試驗(yàn)，為美國(guó)第一座使用屈曲約束支撐的建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持。2002年在伯克利加州大學(xué)完成了屈曲約束支撐框架的反復(fù)荷載試驗(yàn)并取得成功，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，測(cè)試了在罕遇地震下的非彈性變形能力，標(biāo)定了滯回模型。Black等還進(jìn)行了整體屈曲時(shí)的穩(wěn)定分析、芯材在高階模態(tài)下的屈曲行為和塑性扭轉(zhuǎn)屈曲問題的研究。Higgins和Newell研究了一種用圓鋼管充填無(wú)黏結(jié)材料級(jí)配礫石作為屈曲約束機(jī)構(gòu)的約束屈曲支撐。2003—2004年，在圣迭戈加州大學(xué)，利用SRMD（結(jié)構(gòu)減震設(shè)施）大型試驗(yàn)系統(tǒng)完成了足尺寸屈曲約束支撐構(gòu)件的擬動(dòng)力加載試驗(yàn)。SEAOC（美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)）與AISC（美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)）聯(lián)合委員會(huì)于2001年制定了《屈曲約束支撐推薦規(guī)定》，并于2005年1月將這些規(guī)定寫入了最新的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震規(guī)定》。

2.國(guó)內(nèi)研究情況。臺(tái)灣的陳正誠(chéng)對(duì)用低屈服點(diǎn)鋼材（fy=100MPa）制成的屈曲約束支撐恢復(fù)力特性進(jìn)行了研究。臺(tái)灣的蔡克銓等研究了無(wú)黏結(jié)材料對(duì)屈曲約束支撐滯回反應(yīng)的影響。清華大學(xué)的郭彥林教授對(duì)屈曲約束支撐進(jìn)行了有限元分析和整體穩(wěn)定性能研究，并分析了約束比、內(nèi)核板件寬度比、初始缺陷、間隙等參數(shù)對(duì)支撐性能的影響，同時(shí)也簡(jiǎn)單地給出了初步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。同濟(jì)大學(xué)的鄧長(zhǎng)根教授對(duì)屈曲約束支撐的穩(wěn)定問題做了一定的研究，并提出了一種新型屈曲約束支撐，即壓力只由內(nèi)核鋼支撐承擔(dān)，內(nèi)核受力構(gòu)件與側(cè)撐構(gòu)件之間不填充混凝土而是保留有一定的間隙，外鋼管在端部收縮，使兩者在端部間隙很小，同時(shí)設(shè)置一定厚度的擋板并與內(nèi)鋼管焊接，用來(lái)限制外鋼管的滑移的支撐形式，并對(duì)這種新型屈曲約束支撐的穩(wěn)定問題作了相應(yīng)的研究。

同濟(jì)大學(xué)多高層鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)抗火研究室研制的TJ型屈曲約束支撐是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化的屈曲約束支撐，且已經(jīng)產(chǎn)品化。其支撐性能與國(guó)外同類型產(chǎn)品相當(dāng)，而價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的1/4，且縮短了供貨周期。TJ型屈曲約束支撐滯回性能優(yōu)越，并開發(fā)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊(cè)，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行屈曲約束支撐設(shè)計(jì)提供了方便。

二、屈曲約束支撐的特點(diǎn)

屈曲約束支撐作為一種新型的耗能支撐，解決了普通鋼支撐的失穩(wěn)破壞的問題，使鋼結(jié)構(gòu)支撐在受拉和受壓時(shí)的性能一致，從而大大提高了鋼材的利用率。由于屈曲耗能支撐本身沒有受壓穩(wěn)定的問題，與相同條件下的普通支撐相比，其截面可大大減小，能夠改善結(jié)構(gòu)整體抗震性能?？拐鹦阅苁堑卣饏^(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，合理的抗震耗能體系不僅可以降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)，其更大的作用體現(xiàn)在遭受地震時(shí)保護(hù)結(jié)構(gòu)主體不受破壞與結(jié)構(gòu)使用者的生命不受到威脅。作為抗震耗能性能優(yōu)越的代表產(chǎn)品之一，屈曲約束支撐在國(guó)內(nèi)外工程中的應(yīng)用正在逐漸推廣。

對(duì)于采用了屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)而言，屈曲約束支撐成為了結(jié)構(gòu)的耗能元件，起到結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”的作用。屈曲約束耗能支撐結(jié)構(gòu)延性性能好，耗能能力強(qiáng)，在強(qiáng)烈地震作用下，由于屈曲約束支撐消耗了大量地震能量，主體結(jié)構(gòu)將不會(huì)破壞，從而保護(hù)建筑物內(nèi)人員安全和財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，由于屈曲耗能支撐便于拆卸維修，從而能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)整體大震易修的目的。

屈曲約束耗能支撐技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，特別是提高結(jié)構(gòu)在大震作用下性能，同時(shí)由于能夠消耗地震能量，因此能夠減輕主體結(jié)構(gòu)所受的地震作用，減小主體結(jié)構(gòu)的材料用量，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.承載力高。由于芯材不受長(zhǎng)細(xì)比控制，抗震設(shè)計(jì)中，屈曲約束支撐的軸向承載力設(shè)計(jì)值為：Nb=Af，因此可以大大提高鋼材的利用效率，節(jié)省鋼材的用量，從而能夠帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省投資。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采用屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系與普通支撐結(jié)構(gòu)體系相比，能夠節(jié)省20%～30%的鋼材。同時(shí)另一方面也將帶來(lái)節(jié)能環(huán)保和減少污染的社會(huì)效益。

2.減小相鄰構(gòu)件受力。當(dāng)支撐為人字形或V字型布置時(shí)，由于普通支撐受壓屈曲，受拉與受壓承載力差異可能很大，而普通支撐的截面由受壓穩(wěn)定承載力控制，但支撐受拉時(shí)其內(nèi)力最大可達(dá)到受拉承載力，故與支撐相鄰構(gòu)件的內(nèi)力由支撐受拉承載力控制。如采用屈曲約束支撐，支撐受拉與受壓承載力差異很小，可大大減小與支撐相鄰構(gòu)件的內(nèi)力（包括基礎(chǔ)），減小構(gòu)件截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)（平均造價(jià)節(jié)約為10%～20%）。

3.延性性能好。屈曲約束支撐在彈性階段工作時(shí)，就如同普通支撐可為結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度，可用于抵抗小震以及風(fēng)荷載的作用。在彈塑性階段工作時(shí)，變形能力強(qiáng)、滯回性能好，就如同一個(gè)性能優(yōu)良的耗能阻尼器，可用于結(jié)構(gòu)抵御強(qiáng)烈地震作用，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。在建筑工程中，尤其是我國(guó)的《抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》中屬于重點(diǎn)設(shè)防類建筑，在地震時(shí)其功能不能中斷或者需要盡快恢復(fù)，在強(qiáng)震作用下保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的不破壞和降低人員傷亡顯得更為重要。

屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險(xiǎn)絲”的作用，用于保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在大震下不屈服或者不嚴(yán)重破壞，將地震情況下的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡降低到最小程度。并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐，大大縮短了震后修復(fù)重新投入使用的時(shí)間，避免震后進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)損失，因此在該建筑中采用屈曲約束支撐能夠帶來(lái)顯著的社會(huì)效益。

三、屈曲約束支撐的應(yīng)用

1.國(guó)外的應(yīng)用。屈曲約束支撐在日本應(yīng)用較多，在美國(guó)、加拿大和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也有使用。

1995年神戶地震后，屈曲約束支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地震后，美國(guó)也開始接受這種體系。目前日本已有250棟建筑、美國(guó)有50棟已建和在建的建筑使用了這種體系。

1999年臺(tái)灣集集地震以后，正在建設(shè)中的臺(tái)中縣政府大樓就進(jìn)行了重新的抗震驗(yàn)算，最后采取給結(jié)構(gòu)中增加屈曲約束支撐來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)；臺(tái)北101國(guó)際金融中心大樓也采用了屈曲約束支撐技術(shù)。

2.國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。我國(guó)大陸地區(qū)也在推廣這種支撐體系，目前該支撐形式應(yīng)用前景很好，已經(jīng)在北京、上海、西安等在建建筑中開始使用。上海世博中心、上海虹橋交通樞紐、上海申虹辦公樓、東方體育中心等一批地標(biāo)性建筑物中得到應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

北京通用國(guó)際時(shí)代廣場(chǎng)是103m的鋼結(jié)構(gòu)建筑，考慮地處8度設(shè)防，設(shè)計(jì)中采用了延性較好的框筒結(jié)構(gòu)，偏心鋼支撐及首次在大陸使用的屈曲約束支撐。上海世博中心為中國(guó)2010年世博會(huì)四大永久場(chǎng)館之一，總建筑面積約14萬(wàn)m2。地下1層，地上7層，在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位采用500多根屈曲約束支撐，大幅度降低了結(jié)構(gòu)用鋼量，提高了抗震性能。

目前屈曲約束支撐主要有國(guó)外廠家與國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的專利產(chǎn)品，國(guó)外產(chǎn)品在與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品同等質(zhì)量水平下價(jià)格較貴；而為了在我國(guó)推廣應(yīng)用這種具有良好抗震性能的體系，國(guó)產(chǎn)化屈曲約束支撐的應(yīng)用與研究需要進(jìn)一步開展。