屈曲約束支撐(BRB)在中小學校舍抗震加固工程應用

劉 靜

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

屈曲約束支撐(BRB)在中小學校舍抗震加固工程應用

劉 靜

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

帶有懸挑的單跨框架結構是中小學校舍的主要結構形式，這類結構震害嚴重，通常采用屈曲約束支撐(BRB)進行抗震加固。以采用BRB加固的一棟實際中學教學樓為例，詳細介紹了BRB在結構加固中的設計及施工方法，同時將BRB加固方法與傳統加固方法的工程造價和施工工期進行了分析和對比，研究結果表明：在原單跨框架結構上設置BRB可以顯著提高結構的抗震性能；BRB造價略高，但相應減少了結構的加固工程量，降低工程總造價，且施工工期滿足要求。

單跨框架；抗震加固；屈曲約束支撐；抗震性能；施工工期

0 引言

地震作為危害人類社會的自然災害之首，爆發時釋放的巨大能量對房屋建筑產生了嚴重的威脅，常常引起人員傷亡，造成重大的經濟損失。我國地處環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是受地震危害影響較大的國家。自20世紀以來，我國境內發生的六級以上地震累計數百余次，因此大力研究并推廣消能減震技術對我國來說具有重大的現實意義。混凝土框架是目前我國最常應用的一種結構形式。純框架結構特別是單跨框架由于抗側剛度較低，在罕遇地震作用下，容易產生較大的側移甚至引起倒塌。

1 工程背景

2008年，我國四川汶川大地震后，在全國中小學校中開展了抗震加固工程，以提高建筑物綜合防災能力建設，使學校校舍的抗震設防標準達到重點設防類。又由于中小學校舍的教學功能需要，抗震加固的施工時間只有寒暑假兩個假期，因此需要一種施工周期短又可以達到較好抗震效果的加固方法。目前國內存在大量單跨多層外懸挑式的教學樓，根據文獻[1-4]分析可知，單跨多層外懸挑式鋼筋混凝土框架結構橫向只有一跨，為單榀框架結構，結構的冗余度低，一旦柱子發生破壞，框架整體的抗震承載力及變形能力均發生較大的下降，同時結構的最終破壞形態亦非完全的強柱弱梁型破壞，因此有必要對其進行針對性的抗震加固。

純框架結構特別是單跨框架通過增加鋼支撐或鋼筋混凝土支撐這兩種傳統支撐可以提高框架結構的抗側剛度和整體穩定性，但是因使用不便而較少采用。屈曲約束支撐(Buckling-restrained brace，簡稱BRB)的出現解決了上述兩種傳統支撐的問題。將屈曲約束支撐引入混凝土框架結構形成框架-支撐體系，一方面可提高結構的抗側剛度，避免出現普通鋼支撐在地震反復荷載作用下易失穩的問題；另一方面，支撐通過反復的拉壓變形可以實現能量耗散，提高結構的延性，被譽為結構中的“保險絲”。已有研究表明[1-4]，將屈曲支撐應用于中小學校舍抗震加固中不僅可以為框架提供抗側剛度，提高抗震承載力，而且具有施工工期短，對原建筑損傷小，適合只有短期作業要求的中小學教學樓抗震加固。

BRB是由低屈服點鋼材芯板、套筒以及芯板與套筒間的無粘結材料構成，如圖1所示。

圖1 BRB構成示意圖

常見的芯材截面形式依據不同的剛度需求及連接方式的需要，分為十字形、T形、雙T形和一字形等。外側套筒在內部芯材發生屈曲時提供約束機制，以防止芯材受軸壓時，桿件發生整體屈曲。套筒與芯板間的無粘結材料在外部套筒與芯材間提供滑動的界面，減少芯材因受壓屈曲后與外部套筒間的摩擦力，使得支撐在承受壓力和拉力時，桿件只產生屈服而不會產生屈曲。這種特殊構造在受拉和受壓兩種狀態下都能達到屈服，形成飽滿的荷載-位移滯回曲線，可為框架結構提供很大的抗側剛度并提高框架的抗震承載力。典型的BRB的力-位移滯回曲線如圖2所示。

福建福州某中學教學樓根據我國舊版抗震規范設計，于2004年竣工投入使用至今。該教學樓層數為7層，建筑物總高為22．65m，建筑面積約3 210m2，圖中橫向65．4m為X向，縱向為Y向，該建筑的結構形式為單跨單懸挑框架結構體系，建筑平面布置如圖3所示。該建筑地處抗震設防烈度7度區(0.10g)，原設計設防類別為標準設防類，框架抗震等級為三級，基礎形式為預應力管樁基礎。

圖3 建筑平面布置圖

根據2015年福建建筑工程檢測中心有限公司對原結構進行的《福州某中學教學樓建筑物抗震鑒定》結論，該工程存在如下問題：

(1)建筑為單跨單懸挑框架結構，不滿足抗震規范中對中小學教學樓的結構體系要求。

(2)該建筑部分一層框架柱抗震承載力不滿足要求。

(3)該建筑在多遇地震作用下的彈性層間位移角超過規范限值1/550的要求[5]，應采取可靠措施對結構剛度進行加強。

2 抗震加固方案的確定

該教學樓為單跨單懸挑框架結構，這類結構體系結構在地震作用下尤其是大震下容易產生傾斜或倒塌。因此，根據我國的《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223-2008)[6]及《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023-2009)[7]中相關規定，中小學教學樓結構體系不應采用單跨框架結構。在對此類結構進行抗震加固時，為了提高在大震下結構的抗倒塌能力傳統通常采用以下兩種方法進行加固。

方案一：在懸挑走廊外側增設混凝土柱，使原來的“單跨單懸挑框架結構”變為“兩跨框架結構”。該方法雖然提高了整體結構的剛度，但加固量大，不僅需進行新增柱及其柱基礎等，而且由于結構剛度的重新分配，使得框架梁等水平構件的加固量也相應增加，原有建筑外觀也發生較大改變，還需要政府規劃部門溝通協商。而且中小學教學樓在進行抗震加固時，并無外立面改造及功能改變的需要，因此這種加固方法增加了改造工程量。

方案二：在單跨框架柱間設置普通鋼或混凝土支撐，該方法在小震情況下，可以起到較大的作用，而在中震和強震時，普通支撐會受壓和受拉屈曲，無法為框架提供抗側剛度，有效降低大震下的位移比，也無法提高其他縱向構件的抗震承載力，因此同方案一相比加固改造工程量差別不大。

該建筑物的用途是中學教學使用，能夠進行大面積施工的最長時間僅為暑期的2個月，也就是說改造加固周期不能超過60d，現場又受到教學場地限制，無法進行基礎開挖。同時，由于建筑物處于市區重要地段，不能改變建筑物的外觀。綜合考慮各種因素，以上2種方法均無法滿足該建筑對施工工期的要求。通過比較，最終確定采用在單跨框架柱間設置BRB的方式來對該建筑物進行抗震加固。主要要解決的問題是使其滿足抗震規范對單跨單懸挑結構的層間位移比要求。

上述建筑物抗震鑒定結論和抗震加固方案的選擇，綜合考慮采用BRB抗震加固，本文詳細介紹采用BRB結合柱外包鋼加固的加固方法，并將該加固方法與傳統截面加大加固方法在造價、工期對比分析，闡述約束屈曲支撐在中小學抗震加固中的優越性。

3 屈曲約束支撐設計

圖4 BRB平面布置圖

BRB體系的設計原理與普通支撐框架體系的設計原理基本相同。在工程計算分析中，采用等截面的桿單元模擬BRB。本加固工程中采用方鋼80×80的矩形方鋼管模擬BRB，BRB斜撐布置平面如圖4所示；豎向設置支撐時，采用一字形斜桿布置，考慮到施工造價的因素，針對性地對薄弱層及位移較大的節點進行設置，如圖5所示。

圖5 BRB豎向布置圖

首先，根據目前GB50011-2010《建筑抗震設計規范》，本文簡稱(10版抗規)[5]，對設置BRB的結構分別進行多遇地震及罕遇地震條件下的結構兩階段驗算，該工程主要采用中國建筑科學研究院開發的且在國內廣泛成熟應用的PKPM系列軟件進行該項工作。PKPM結構參數設置如圖6所示，通過計算，對比了有無采用BRB的結構模型在小震及大震條件下的位移比指標，結果如表1～表2所示。

圖6 PKPM參數設置

層間位移設置BRB前設置BRB后X向地震作用1/5471/615Y向地震作用1/4421/649

表2 設置BRB前后層間位移結果對比(大震條件)

圖7 屈曲約束構件與原有梁柱連接節點

根據兩個階段地震狀態下的對比可知，設置BRB可以有效地提高結構層間位移角，為單跨建筑提供可靠的第2道防線，提高其在大震狀態下的抗倒塌能力[8-10]。計算完成后，依據計算得到每根支撐的等效截面面積、擬采用芯板鋼材等級以及支撐實際長度，查閱相關屈曲約束支撐設計手冊，選取對應的屈曲支撐型號。該工程選用BRB-xIxC-50-5900型號的BRB構件，即約束屈曲支撐構件承載力為50T，構件長度為5 900mm，芯材截面形式為十字形[8]。

在屈曲支撐作為支撐的構件其端部與梁柱的連接內力時，除了應保證節點能充分傳遞支撐桿件的內力，同時尚應留有一定的富余量[8-10]。

通常屈曲支撐通過節點板與原有混凝土梁柱連接。該工程中利用屈曲約束支撐中的十字形節點板與原有梁柱節點的外部包鋼套筒進行栓焊連接，為了保證節點能充分傳遞支撐桿件的內力，屈曲支撐桿件的中線與梁柱中心線三者交會于一點。同時，為了保證節點足以承受罕遇地震下可能產生的最大內力且保證與屈曲約束支撐相連節點在罕遇地震下不發生滑移，該工程采用了大于1．2倍的桿件的極限承載力的節點承載力進行節點計算，如圖7所示。

4 工程造價及施工工期分析

該工程通過在單跨鋼筋混凝土框架中設置屈曲支撐不僅有效提高結構的抗側剛度及抗力，與上文中提到的兩種傳統加固方法相比，加固工程量大大降低。加固工程造價及工期對比如表3所示。

表3 加固工程造價及工期對比

由表3對比可知，柱截面加大了，工程量減少了30%，墻體拆除工程量減少了40%。因此，大大節約了施工工期與工程造價。經過測算，若采用文中提到的兩種傳統加固方法，該工程抗震加固造價約為100萬元左右；而采用設置屈曲支撐加固方法后，該工程抗震加固造價約為60～70萬元。施工工期方面：采用屈曲支撐加固工期僅為45d，而兩種傳統加固方法的工期估計為90d，因此工期縮短了50%。

5 結論

本文采用BRB對一棟實際中學教學樓進行了抗震加固，介紹了BRB在結構加固中的設計及施工方法，同時將BRB加固方法與傳統加固方法的工程造價和施工工期進行了分析和對比，研究結論如下：

(1)實際中學教學樓達到了抗震加固的目的，結構的抗震性能大大提高。

(2)對單跨框架結構，設置BRB可以顯著提高結構的抗震性能，且基本不影響建筑物的使用功能，施工簡便值得推廣與應用。

(3)BRB造價略高，但相應減少了結構的加固工程量，降低工程總造價，且施工工期大大縮短，適合于中小學校舍在暑期期間的加固。

[1] 趙晴，許更龍． 單跨多層外懸挑式框架結構校舍抗震性能試驗研究[J]． 江蘇建筑，2013(01):38-40,52．

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[3] 胡大柱，尤毓慧，邵宏政． 屈曲約束耗能支撐在教學樓加固工程中的應用[J]． 工程抗震與加固改造，2009(06):88-92,83．

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[5] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[6] GB 50223-2008 建筑工程抗震設防分類標準[S]．北京：中國建筑工業出版社，2008．

[7] GB50023-2009 建筑抗震鑒定標準[S]．北京：中國建筑工業出版社，2009．

[8] 09SG610-2 國家建筑標準設計圖集，建筑結構消能減震(振)設計[S]．北京：中國建筑標準設計研究院，2009．

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Application of BRB in seismic strengthen construction of primary and middle school

LIUJing

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

The single-span frame structure with cantilever is the main structure of primary and secondary schools． The seismic damage of these kind of structures is large， and these structures is usually reinforced by buckling-restrained brace (BRB)． Based on an actual secondary school building which was reinforced by BRB， the design and construction method of BRB in structural reinforcement are introduced in detail， and the engineering cost and construction period of BRB reinforcement method and traditional reinforcement method are analyzed and compared． The results show that the BRB can significantly improve the seismic performance of the structure by setting the BRB on the original single-span frame structure． The cost of the BRB is slightly higher， but within required construction period the construction quantity is reduced and the total construction cost is reduced．

Single-span frame； Seismic reinforcement； Buckling-restrained brace； Seismic performance； Construction period

劉靜(1983.1- ),女，工程師。

E-mail:50420058@qq.com

2017-03-07

TU3

A

1004-6135(2017)05-0057-05