屈曲約束支撐框架體系(BRBF)的優勢及其在工程中的應用

王祖權

摘 要:屈曲約束支撐框架體系(BRBF)是新近發明并逐漸得到應用的一種抗震框架體系。由于屈曲約束支撐(BRB)在受拉和受壓時都可屈服而不屈曲,克服了普通支撐體系的缺點,具有較強的抗震性能。為了進一步使屈曲約束支撐框架體系得到推廣和應用,本文初步分析了其優勢及在工程中的應用,推進該體系在我國得到更深層次地研究與發展。

關鍵詞:屈曲約束支撐框架體系優勢應用承載力抗震能力

中圖分類號:TU352 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0059-01

普通鋼框架結構的中心支撐在強震中極有可能受壓發生屈曲而退出工作,致使支撐屈曲后不能有效地耗散能量,嚴重降低了結構的抗震能力。為了有效消除普通鋼架結構弊端、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構體系,使得支撐在地震作用下不發生屈曲。鑒于該體系的巨大使用性能,美國、日本等國廣泛使用,并表現出了良好的抗震性能,可是在我國應用范圍則較小。為了推進BRBF在我國應用,有必要使大眾了解其優勢及應用,便于更多人將其應用于工程。

1屈曲約束支撐框架體系的優勢

屈曲約束支撐,也叫防屈曲支撐、抑制支撐以及平穩支撐,通過運用鋼材的軸向壓力作用來消耗外界能量。與普通支撐相比,具有以下優勢。

(1)具有較高的承載力。

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

(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就如同普通支撐體系一樣,可以為結構提供很大的抗側剛度,能夠有效抵抗小震及風載的作用;在彈塑性階段工作時具有良好的延性和滯回性能,形成了強大的變形能力。由此可見,屈曲約束支撐就如同一個性能優良的耗能消散設備,可用于抵御強震的作用。

(3)有效保護主體結構。

屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力,在強震中可以起到“保險絲”的作用,保護主體結構在強震中不屈曲或不發生較為嚴重的損壞。與此同時,在地震過后便于更換損壞的支撐,具有良好的經濟效益。

(4)有效減少相鄰構件受力。

普通支撐體系受壓屈曲,導致受拉和受壓時承載力差異較大,而約束支撐框架體系則完全不具有這樣的問題。因為,當約束支撐呈“人”、“V”型時,支撐受壓產生的內力最大時才會等于受拉承載力,故不會形成較大的差異,并有效減少了相鄰構件的受力。

2屈曲約束支撐框架體系在工程中的應用

鑒于屈曲約束支撐框架體系具有優良的抗震性能,其在建筑加固改造、建筑混凝土結構設計中廣泛使用。下面以其在某建筑不規則混凝土結構設計為例,具體論述屈曲約束支撐體系的應用。

2.1 工程概況

某市擬建一座辦公大樓,建筑總體面積達到31200平方米,地下室2層、地面樓高為9層,地上3層為大底盤、3層以上為上塔樓。鑒于該建設項目屬于不規則混凝土結構,抗側剛度要求極其高。

2.2 設計原則

基于該項建筑結構的不規則性,采用使用單純的框架結構,整個鋼架結構剛度和強度難以達到設計要求,并且不能滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》的層間位移角要求。所以,采用單純的框架結構是不實際的。倘若采用在樓梯間等位置布置剪力墻,不對稱地布墻會導致結構出現較為嚴重的扭轉問題,尤其該建筑本身就需要一定的扭轉問題。因此,此種方式也是不可取的。倘若使用普通鋼支撐,是能夠避免扭轉問題的出現及提高整體結構的抗側能力,可是在地震作用下就會受壓出現屈曲。如果采用增大支撐面防止支撐出現屈曲問題,更會導致支撐在地震作用下受壓更大,反而不利于形成較強的結構抗震性能。

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

2.3 工程設計

(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,且相互之間不對稱情況導致樓體中心不穩與剛心不相吻合,形成了較大的樓層位移比率。為了有效控制樓層位移比率,在結構設計時兩塔樓應采用不同的柱截面,并適當地設置鋼支撐以增強框架的剛度,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構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的抗側剛度和優良的延性。

(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構延性,部分衍架應當采用鋼結構形式,與之相連的則使用混凝土結構。由于連接部位屬于薄弱部位,抗震級別應當高出其他部位一級或幾級,相應地提高了框架軸壓的要求,應當采用型鋼的混凝土柱,能夠提高其延性。并且,在豎向強外力作用下,連接部位的部分鋼結構關鍵構件強度與穩定構件應力應分別小于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題。

(3)解決樓板大開洞問題。

在該工程項目中,樓板大開洞位置在邊框框架處。由于該框架邊柱是躍層柱,相對而言需要進一步增強柱的抗側能力和延性,這就需要利用加大柱截面及增加柱內配筋的方法達到這一目的。

(4)節點連接。

良好的節點連接是混凝土結構強度和剛度的基本保證,因此,屈曲約束支撐與梁柱之間的節點連接尤為重要。通常情況下,屈曲約束支撐框架體系中經常采用高強度螺栓連接節點。當然,連接板長度和螺栓數量并不是隨意決定的,設計人員通過精確計算方能確定。

3結語

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、保護主體結構、減少相鄰構件受力及抗震能力強等優勢,有效消除了傳統支撐受壓屈曲的弊端,具有了較高的剛度和強度性能。鑒于該結構體系的有巨大優勢,應當在地震易發生地帶多多采用該種框架結構,能夠有效減少地震帶來的人員傷亡及經濟損失。因此,國內應當加大對屈曲約束支撐框架體系研究及推廣力度,使其在全國各地區得到廣泛應用,為人們的生命財產安全提供有力保障。

參考文獻

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