基于剪力比的屈曲約束支撐

姚振道

摘 要：基于剪力比的屈曲約束支撐作為一種抗震構件，目前已經得到廣泛應用。以實際工程為例，分析了基于剪力比的屈曲約束支撐在混凝土框架結構中的具體應用，著重闡述了其設計要點，并對加設屈曲約束支撐前后的結構抗震性能的變化進行了比較。結果顯示，基于剪力比的屈曲約束支撐在混凝土框架結構中的應用，能夠明顯改善建筑物的抗震性能。顯示結果對基于剪力比的屈曲約束支撐的全面推廣及應用具有重要意義，可以為相似的工程提供借鑒和指導。

關鍵詞：剪力比；屈曲約束支撐；混凝土框架結構；抗震性能

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.034

1 屈曲約束支撐框架的研究現(xiàn)狀

美國自從北嶺地震之后就開始注重在工程中應用屈曲約束支撐。在大量理論論證和實踐研究的基礎之上，在2001年，北加州結構工程師協(xié)會與美國鋼結構協(xié)會共同針對屈曲約束支撐進行了規(guī)定條文的編制工作，這項條文已經于2003年被聯(lián)邦應急管理局納入最新的抗震規(guī)定之中，同時也被最新版的《鋼結構建筑抗震設計規(guī)程》收錄。

2004年，Kim等研究人員對屈曲約束支撐鋼框架提出了一種新的基于位移的設計方法，這種方法中的建筑主體結構能夠在地震的作用下依然保持彈性，可以通過屈曲約束支撐來有效承擔側方向的載荷，將多自由度的體系等同于等質量、阻尼比和剛度均相同的單自由體系，能夠通過阻尼比來獲得作用于主體結構的地震力。實踐表明，采用該方法時，3～5層的屈曲約束支撐能夠與建筑物的設計目標良好吻合，在實際中能夠充分發(fā)揮其作用。

國外對屈曲約束支撐的研究已經比較普遍，相比之下，國內相關研究較少。2005年，劉建彬在總結國外經驗的基礎上，結合我國建筑物建設規(guī)范，提出了一套直接基于位移的屈曲約束支撐鋼框架結構簡化設計方法。

此方法首先按照大震標準設計，將遭遇大震時屈曲約束支撐的能耗轉變?yōu)橄嗟冉Y構阻尼，通過對建筑物主體結構地震力的折減，來達到可靠支撐的設計目的。該方法缺點也十分明顯，其設計思路是從大地震入手，與我國建筑物規(guī)范中的“小震設計，大震驗算”的設計思路背道而馳，具體實施起來步驟繁雜，因此很難進行大規(guī)模的推廣使用。

2 屈曲約束支撐的作用機理

作為抗震構件的一種，屈曲約束支撐在美國、日本等發(fā)達國家已經得到了廣泛的應用。它的作用原理如下：在多遇地震的情況下，該構件處于彈性狀態(tài)工作，與建筑物的普通支撐一樣，提供抗側剛度；而在遭遇罕見大地震的情況下，其又進入塑性狀態(tài)工作，能夠通過支撐線材的軸向伸縮變形來緩解地震的巨大輸入能量，起到類似于“保險絲”的作用。屈曲約束支撐的使用，不僅能夠有效地保護建筑物主體結構在遭遇罕見大地震時盡可能少地受到損壞，還可以增大結構阻尼，有效減小位移，從而達到更高水平的抗震目標，即“小震經濟、中震不壞、大震易修、余震不倒”。屈曲約束支撐之前常被應用到鋼結構工程之中，而在混凝土結構中的實際應用比較少。

3 混凝土框架分析

以某混凝土框架工程為例，該建筑共計5層，地上4層，地下1層，總建筑面積達3.0×104 m2，高度為31 m。該工程采用框架支撐體系，其中，支撐部分需要通過屈曲約束的方式得以實現(xiàn)，且該建筑物較大跨度的組件均采用鋼架結構。另外，該工程中樓層高度不同，其所承載的負荷和結構剛度表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性。因此，該建筑物可以采用基于剪力比的屈曲約束支撐方式，來明顯改善建筑物整體的剛度分布，增強其抗震能力。

方案之一：如果只采用混凝土框架結構，那么這個工程的抗側剛度明顯不足，不能夠滿足現(xiàn)階段《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中關于建筑物的規(guī)定，也就是層間位移角應當小于1/550；如果一味增加建筑物柱子的橫截面面積，就會進一步壓縮整個建筑工程的利用空間，給工程帶來不利影響。因此，此種方案缺陷較多，業(yè)主也不希望選擇這種方案，單純使用混凝土框架結構體系這條道路行不通。

改良后的方案：如果在該工程的樓梯間部位添加相關的混凝土剪力墻，施工不僅嚴重影響了整個建筑物的外觀結構，而且在地震災害發(fā)生時，這種不對稱的混凝土結構會使得建筑物整體扭曲變形，危險系數(shù)增加。

綜合以上因素，如果采用混凝土框架外加剪力墻的建筑方案，雖然能夠在一定程度上改善整個建筑物的抗側剛度，但是卻會影響建筑物整體結構；如果完全采用之前常規(guī)的鋼結構作為支撐，可以提高整個建筑工程的抗側剛度，同時可以對建筑物在較大地震災害中第一震型的扭轉問題加以防止和修正。但此方案最大的問題是當?shù)卣馂暮Πl(fā)生時，所采用的鋼結構支撐框架會遭受到很大的來自軸向的應力作用，從而很容易出現(xiàn)應力屈服的現(xiàn)象。

倘若要規(guī)避這種應力屈服現(xiàn)象的發(fā)生，可以采用增加鋼結構支撐面橫截面面積的簡單做法，但這種做法會使得其剛度增大，造成鋼架構支撐所承受的應力繼續(xù)增加，對建筑物整體的抗震性能非常不利。如此大的鋼截面支撐會影響整個建筑工程的美觀度，同樣也會嚴重影響整個建筑的使用功能。

如果將這個建筑采用鋼管作為支撐，由于建筑整體的混凝土架構，兩者之間的緊密連接就會變得非常有難度，所以，如果建筑采用基于剪力比的屈曲約束支撐，相對而言比較適合該建筑工程項目。該技術不僅能夠提升整個建筑物的抗側剛度，改善扭轉變形，還能夠降低節(jié)點之間的剪力和軸力之間的相互作用，使得節(jié)點更加易于設計施工。設計基于剪力比的屈曲約束支撐時，首先應當對建筑工程整體的剛度需求有個總體的把握，根據(jù)符合規(guī)范要求的結構所需的抗側剛度來確定建筑物屈曲約束支撐的橫截面尺寸。當達到這一要求之后，還需要對支撐結構內部受力情況進行全面的分析，從而確定比較適宜的承載能力。模擬分析顯示，當未采用屈曲約束支撐時，建筑整體抗側剛度欠缺，層間位移角無法達到設計標準。當采用基于剪力比的屈曲約束支撐結構之后，性能指標全部達標，上部薄弱部分抗側剛度也明顯增加，有效減少整個建筑物的層架位移。

4 結束語

基于剪力比的屈曲約束支撐結構能夠有效改善建筑物抗震能力，該支撐結構的廣泛應用，既保證了建筑物的外觀及相應的使用功能，同時還可以使得建筑物內部空間得以充分利用，加上既有抗震性能的提高，可以達到一箭三雕的效果。

參考文獻

[1]王建華，于巖磊.帶屈曲約束支撐的混凝土框架結構設計[J].建筑設計管理，2013（05）：41-44.

[2]劉毅強.屈曲約束支撐在混凝土框架結構中的工程應用[J].山西建筑，2016（33）：41-43.

〔編輯：劉曉芳〕