防屈曲支撐應(yīng)用及設(shè)計

【摘 要】文章簡要介紹了防屈曲支撐的組成、工作機理，提出了防屈曲支撐在新建建筑及加固工程中的應(yīng)用步驟。對防屈曲支撐在軟件中的實現(xiàn)也作了說明，最后，指出了目前我國防屈曲支撐應(yīng)用中存在的問題并提出相應(yīng)意見。

【關(guān)鍵詞】防屈曲支撐；應(yīng)用步驟；軟件；問題

前言

防屈曲支撐作為一種新型的耗能減震構(gòu)件， 抑制了普通的支撐的壓曲現(xiàn)象， 能更多地吸收和耗散地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量， 提高了框架的抗震性能和能力。目前其在日本、美國、中國臺灣已廣泛使用，在中國大陸的研究尚處于起步階段。

1 防屈曲耗能支撐的構(gòu)成及耗能機理

1.1 防屈曲支撐的構(gòu)成

防屈曲支撐的構(gòu)造主要從兩方面來分析，即橫向構(gòu)成和縱向構(gòu)成。橫向構(gòu)成分為三部分，即核心單元（芯材）、約束單元（外圍鋼管和套管內(nèi)混凝土或砂漿）及滑動機制單元。防屈曲支撐的縱向構(gòu)成分為五個部分：約束屈服段；約束非屈服段；無約束非屈服段；無粘接可膨脹材料；屈服約束結(jié)構(gòu)。

1.2 耗能機理

支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下所承受的軸向力全部由芯材承受，該芯材在軸向拉力和壓力作用下屈服耗能，而外圍鋼管和套管內(nèi)混凝土或砂漿提供給芯材彎曲限制，避免芯材受壓屈服?；瑒訖C制單元則在芯材與外圍之間提供了一定的滑動界面和空間，從而使內(nèi)芯鋼材在受拉與受壓時盡可能地有相似的力學(xué)性能。

2 防屈曲支撐的應(yīng)用-新建工程

2.1 防屈曲支撐體系設(shè)計

2.1.1 防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計

防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計通常包括以下幾方面：防屈曲支撐結(jié)構(gòu)適用范圍和設(shè)防目標、支撐性能標準和基本要求、支撐數(shù)量預(yù)估和要求、支撐的布置原則。

2.1.2 防屈曲支撐體系的抗震計算

防屈曲支撐體系的抗震計算包括：第一，多遇地震作用下防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的抗震強度與變形驗算。第二，罕遇地震作用下防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的彈塑性位移驗算。

2.1.3 防屈曲支撐的設(shè)計

防屈曲支撐的設(shè)計主要包括：芯材斷面的選取、支撐外圍約束鋼管的選取、連接設(shè)計、節(jié)點設(shè)計與強度校核。

2.2 防屈曲支撐用于新建工程的實例

2.2.1 美國加利福尼亞大學(xué)植物與環(huán)境科學(xué)置換研究所實驗室

該建筑結(jié)構(gòu)總平面呈“C”字形，建筑共使用了132個防屈曲支撐，通過ETABS進行的動力分析表明，防屈曲支撐能很好的控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。

2.2.2 北京銀泰中心主塔樓

該主塔樓為63層的全鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度249.5m。其設(shè)備層的伸臂桁架斜桿采用防屈曲支撐代替，有利于大震時吸收能量。

3防屈曲支撐應(yīng)用-加固工程

3.1 防屈曲支撐用于加固工程的步驟

3.1.1 對待加固結(jié)構(gòu)抗震性能進行評價

此項評定應(yīng)根據(jù)相關(guān)國家標準和行業(yè)規(guī)程及加固結(jié)構(gòu)的性能目標要求全面、系統(tǒng)的檢測和評定，如工作環(huán)境、材料強度和剛度退化、振動特性、結(jié)構(gòu)殘余壽命等。

3.1.2 防壓曲支撐的設(shè)計與選擇

防壓曲支撐的設(shè)計與選擇包括：防壓曲支撐類型的選擇、防屈曲支撐數(shù)量及其布置形式的確定，布置時應(yīng)避免使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的薄弱層。

3.1.3 抗震加固結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

首先，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的動力特性分析。其次，依據(jù)結(jié)構(gòu)抗震加固的基本目標，進行多遇地震作用下承載力和彈性變形驗算及罕遇地震作用下的變形驗算。

3.1.4 抗震加固綜合評價

抗震加固是一個建筑的再創(chuàng)造過程，也要滿足“安全，經(jīng)濟，適用”的要求。

3.2 防屈曲支撐用于加固工程的實例

3.2.1 臺中國泰世華國際大樓

該工程由于“9.21”集集大地震規(guī)范修訂，致使原結(jié)構(gòu)的短向不滿足強度與剛度要求，故安裝BRB構(gòu)件于該方向上，共計安裝80支純鋼造防屈曲支撐。

3.2.2 美國華萊士班尼特聯(lián)邦大樓

大樓加固通過10多種方案的比較，最終決定采用十字形防屈曲支撐，加固工程采用了344根支撐，并獲猶他州2002年度優(yōu)秀工程獎。

4 防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系的分析軟件

4.1 防屈曲支撐單元在SAP2000\\ ETABS中的實現(xiàn)

在SAP2000\\ETABS中耗能減震單元是靠連接單元來實現(xiàn)的，這些非線性單元有：線性彈簧（Linear）、阻尼器（Damper）、縫（Gap）、鉤（Hook）、塑性單元（Plastic1）、滯回隔震器（Isolator1）、摩擦擺隔震器（Isolator2）。這些單元既有線型屬性又有非線性屬性。對防屈曲支撐進行分析時，可采用軟件中的塑性單元，當對防屈曲支撐減震結(jié)構(gòu)進行線性分析時，軟件中采用結(jié)構(gòu)線性和塑性單元的線型屬性，進行非線性分析時則結(jié)構(gòu)線性，塑性單元中采用非線性屬性。

4.2 防屈曲支撐單元在MIDAS中的實現(xiàn)

在MIDAS中耗能減震單元是靠邊界條件的非線性連接單元來實現(xiàn)的，這些非線性連接單元的類型有黏彈性耗能器（Viscoelastic Damper）、間隙（Gap）、鉤（Hook）、滯回系統(tǒng)（Hysteretic System）等類型的非線性連接單元。對防屈曲支撐可采用滯回系統(tǒng)（Hysteretic System）進行模擬。

4.3 防屈曲支撐單元在ANSYS中的實現(xiàn)

ANSYS提供了一系列可以用來作耗能減震分析的彈簧阻尼單元，這些單元包括Combin7、Link11、Combin14、Pipe16、Combin37、Fluid38、Combin40、Fluid79、Fluid80、Fluid81、Surf153、Surf154單元等。對于防屈曲支撐可采用Beam188單元來進行模擬。

5 問題與建議

防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系是一種非常有前景的新型結(jié)構(gòu)體系，我國已具備防屈曲支撐應(yīng)用的物質(zhì)條件和市場需求， 但還有一系列的問題亟待解決。

5.1 加快防屈曲支撐相關(guān)規(guī)范編寫：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010） 雖增加了隔震和消能減震的內(nèi)容，但這些原則性的條款對這種防壓曲支撐以及支撐框架體系的設(shè)計和計算缺少具體的規(guī)定，產(chǎn)品標準尚處空白。

5.2 加強防屈曲支撐應(yīng)用于大跨、超高以及網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)上的研究：隨著這類結(jié)構(gòu)形式的大量應(yīng)用，對防屈曲支撐也提出了更高要求。

5.3 由于現(xiàn)有防屈曲耗能支撐均是研究者自行研制，并申請了專利，許多性能參數(shù)、制造技術(shù)、分析方法均屬保密，這限制了該項技術(shù)的發(fā)展和推廣使用。而我國又是一個多地震國家， 因此， 加強實用新型的防屈曲支撐的研制與應(yīng)用就顯得格外迫切。

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