屈曲約束支撐的創(chuàng)新使用

劉李斌　徐清

摘要：屈曲約束支撐框架（BRBF）是近年發(fā)展起來的一種新興結構體系，由包含鋼框架屈曲約束支撐（BRB）的鋼框架組成。BRB的特點是所受的壓力和張力近乎相等且彈性高。BRB包括通過灌漿填充物固定空心型鋼中內的軟鋼芯，這限制了其發(fā)生屈曲。鋼芯與砂漿填料分離，使其獨立于灌漿作用，由屈服區(qū)和彈性區(qū)組成。

關鍵詞：彎曲限制支架；地震；未粘合支架

0引言

屈曲約束支撐框架（BRBF）是一種較新型的同心支撐框架系統(tǒng)，其使用在能夠拉伸和壓縮的彈塑性屈服鋼架。

本文概述了BRB的組成部分和特點以及和美國制造商的合作研討，也概述了為奧克蘭大學兩個項目B403/404工程學院和B302南塔提出的BRBF體系的簡要說明。旨在為設計師提供一個大綱，這個大綱包含在新西蘭BRBF必須考慮的結構設計條件。

1 BRB的介紹

屈曲約束支架的概念最初是在日本在八十年代后期提出的。初始系統(tǒng)由“夾在”預制混凝土板之間的鋼板來抑制屈曲。這主要用作抗震框架結構中的滯后阻尼器。

隨后，BRBF在美國得到進一步發(fā)展，它作為一種支撐元件，利用可以產生張力和壓縮力的非粘結鋼芯。該鋼芯被包含在鋼SHS或CHS元件內的灌漿包圍，從而限制內鋼芯在壓縮載荷下屈曲。在二十世紀九十年代末期和二十世紀初期，進行了相當多的研究和測試，現(xiàn)在三家BRB制造商正在美國申請專有的專利系統(tǒng)。美國使用屈曲約束支撐第一樓建于2000年。到2000年中期，近30個項目在美國完成或正在進行中。針對中的BRB設計指導最近在美國被開發(fā)編寫各種設計指導方針和出版物（例如SteelTIPS，并為鋼結構建筑抗震AISC規(guī)定）。在美國使用BRBF已經越來越受歡迎，目前在美國已完成或正在進行的項目已達到200個。

BRB在在地震期間能夠承受周期性載荷。通過壓縮和張力屈曲，支架能夠消散大量的地震能量。支撐的抗壓能力與抗拉能力密切相關，抗壓能力略高于抗拉能力。

內部相對細長的鋼芯被包裹在灌漿和外部鋼管中。內鋼芯承載載荷，水泥漿和鋼管的作用是防止鋼芯在大的壓縮載荷下發(fā)生屈曲。內鋼芯和混凝土之間的相交處需要特別處理，因為內芯會不粘附到混凝土上。而且，內芯構件不能被限制，不能屈服。為了防止粘連，確保適當?shù)南拗坪妥冃危叽绲闹误w系已經由制造商進行測試研究。

BRBF在新西蘭使用的很少。據(jù)了解迄今已經設計了兩個項目，但是這些項目所需的支撐能力的大小遠遠低于奧克蘭大學B403，404和B302項目。目前，“新西蘭法典”并沒有包括有關BRBF的具體設計規(guī)范。但是，美國和加拿大的設計規(guī)范可以適應新西蘭。筆者建議與相關的結構同行和當?shù)毓芾砭衷缛站驮O計方法達成協(xié)議，以便項目在建設過程中，相關的審批程序不會受到影響。

2無粘結支撐

無粘結支撐可焊接固定，可螺栓連接結構。

無粘結支撐的設計和制造均采用“十字形”形狀或“扁平”芯，通過“分離介質”與灌漿材料分離。新日鐵工程公司估計，在福島，巖手，櫪木，墑玉，千葉，東京和神奈川縣有超過300棟建筑物使用無粘結支撐——在大東北地區(qū)經歷了4-5分鐘的M9.0強烈地震震動，但是據(jù)了解，這些結構并沒有失效，其支撐在地震中仍未破壞。

3測試過程

BRB的測試已在美國大量進行，包括單軸實驗和其子組件試驗。測試程序由AISC 341和FEMA 450編寫。

4奧克蘭大學項目

Beca目前正在奧克蘭大學進行兩個重大項目的結構設計，其使用的是BRBF體系。

4.1 B403/404工程學院

在建的B403/404工程學院大樓位于奧克蘭市中心城市校區(qū)Grafton路。它是一個10層的結構，在現(xiàn)有的4層混凝土框架和剪力墻結構的頂部新建6層。有關三維結構透視圖請參見圖4。

403和404建筑物是1960年代初建成的鋼筋混凝土結構。403號樓有三個現(xiàn)有的懸掛樓層（3，4和5層），而404號樓有四個現(xiàn)有的懸掛樓層（2，3，4和5層）。

403和404建筑物有三排鋼筋混凝土框架，位于外部外墻線和中央格柵上，以在縱向（北/南）方向上向建筑物提供橫向承載力，這些框架支撐建筑的重力。在橫向（東/西）方向上的側向載荷支撐是借助于一對剪力墻，在兩個建筑物的兩端都有一個。兩座建筑物的基礎都包括現(xiàn)澆地基，鋼筋混凝土樁，這是擴底基層。地梁在地面上連接這些樁。

②結構體系。

現(xiàn)提出了一個新的“BRB外框架”鋼架架設方案，主要是在現(xiàn)有圍護結構支撐縱向和橫向的新建樓層荷載。在現(xiàn)有的鋼筋混凝土中心柱上支撐上部新建的6層中心鋼柱。這些現(xiàn)有的鋼筋混凝土柱的加固需要支撐新增的樓層的重力荷載。

鋼框架布置為“單對角”式的BRB布置，以減少對梁的載荷。通過限制結構的位移，支撐體系將減少對混凝土縱向框架和減小對剪力墻的作用。結果是橫向荷載下的地基載荷與剪力墻系統(tǒng)施加的地基載荷相比有所降低。這樣可以盡可能地重新使用現(xiàn)有的樁，使新打的樁數(shù)量保持最低。橫向BRB位于現(xiàn)有建筑圍護結構1.7米處，需簡化新樁基礎的安裝。

兩個內部支撐框架線已添加到中央空間的一側，讓其擁有一些靈活性來創(chuàng)建樓梯結構的樓層空間和樓層之間的連接。這些內部支撐的位置也被確定以避免外部縱向BRB。這避免了同時支撐兩個主軸的橫向載荷的外部柱。BRB框架布置的另一個優(yōu)點是水平和垂直的荷載均勻分布，最大限度地減小扭轉發(fā)生。

一個潛在問題是結構的下半部分暴露在外部，因此在耐用性方面需要特別注意。這種結構的支撐能力對于UIS而言從3000kN到4000kN不等，最高的具有大約支撐4500kN的能力。表面尺寸從200毫米到350毫米的不等。

4.2 B302南塔endprint

所提到的B302南塔樓是位于奧克蘭市中心城市校區(qū)Symonds Street和Wellesley Street East角落的新建的12層樓。有關三維結構透視圖，請參見圖5。

①現(xiàn)有結構。

現(xiàn)有科學中心的南塔上層建筑由雙層混凝土框架構成，具有混凝土剪力墻結構。先打算將上層建筑拆遷至地面，基礎保留，用于建新的B302結構。

②提議的結構體系。

新的B302結構將由大跨度梁支撐的混凝土復合金屬型鋼組成。這些又由現(xiàn)有的基礎和焊接鋼柱支撐組合。

與之類似的工程學院，單斜對角BRB將被用作橫向和縱向上的主要側向承載體系。支撐布局的負載擴大到四個結構隔離區(qū)，由于杠桿臂較大，有利于降低基礎載荷。該布置具有簡化連接的優(yōu)點，因為支撐負載可以直接傳遞到下一個支撐，而不是通過梁傳遞。

BRB均勻分布在結構周邊以減少扭轉行為，類似于B403/404，BRB在橫向和縱向方向上設有共同的柱，以避免荷載集中增加負載。

BRB布置的一個特殊問題是結構暴露在外面，并且為了盡量減少對內部建筑布局的影響，角撐板連接已被減小，以減少總體的尺寸，參見圖6。

5設計注意事項

在設計這些項目期間遇到了以下問題：

5A基礎

根據(jù)支撐布置（即支架數(shù)量，支撐槽寬度），可以在地基中產生較大的集中壓縮、拉伸載荷。這可能需要較大基礎板構件將力傳遞到樁中。

5.2連接方式

所使用的連接類型（螺栓/剛接/焊接）對BRBF設計有很大的影響。所使用的連接類型在滿足美國規(guī)范的同時也必須滿足各種要求。所使用的連接類型也會對框架的受力性能產生影Ⅱ向，因為剛接的是最理想的。這是因為一個剛性連接和角撐板可以通過框架的偏移二次傳力給柱，梁和支撐中。由于這個原因，剛接被認為是效果最好的，然而這也需要較大的角撐板，因此其仍將具有不變性。

5.3阻尼

雖然BRB具有和美國設計規(guī)范中相關的高滯后阻尼，但是這種高水平的滯后阻尼的作用被忽略了。因此，在美國進行的試驗是根據(jù)標準的5%遲滯阻尼Ⅱ向應譜曲線進行評估的。據(jù)了解采用這種保守的假設，是為了獲得美國監(jiān)管機構的批準。

5.4強度

美國規(guī)范要求在BRBF結構體系中設計非延性構件的“非韌性設計”方法。這意味著需根據(jù)支撐的預期變形和通過支撐試驗確定特定的曲線以計算支架超強度力。

5.5彈性與非線性分析

彈性分析如果按照適用于美國規(guī)范估算支撐的非線性變形反應譜通常是足夠OCB的設計。則彈性分析通常足以用于BRBF的設計。

如果需要更高的精度，則可以使用非線性分析。

5.6可施工性

設計者需要考慮BRBF的可施工性方面問題，特別是對螺栓孔直徑的誤差和支撐點長度。還需要考慮如何糾正施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題，如果不符合所規(guī)定的誤差，則可以修改支撐。

5.7地震發(fā)生后

屈曲約束體系不是一個單獨體系，它會在地震結束后將建筑物恢復到原來的位置。然而可以將其設計為將任何位移限制到可接受的范圍。在地震發(fā)生后，可能會拆除一些BRB構件，并將框架恢復原位。到目前為止，這個建筑還沒有完成，但是在M9.0大東北地震之后，日本的BRBF結構中沒有出現(xiàn)任何問題。

5.8耐久性

BRB構件的耐久性是一個待解決的重要問題，特別是在如奧克蘭等沿海地區(qū)。BRB可能需要特殊的保護，并倡導設計師與BRB制造商合作解決該問題。

5.9后續(xù)工作

新西蘭的BRB的設計和供應已經有了很長的時間，供應商估計需要14到36周的時間才可交付新西蘭的奧克蘭大學的相關項目。

6總結

總之，與其他傳統(tǒng)的支撐體系相比，BRB在地震荷載下有優(yōu)秀的性能。因此貝卡提出在兩個奧克蘭大學項目中使用BRBF。BRB建造由美國的三家專有制造商的其中一家提供。本文概述了設計人員在設計BRBF結構時必須考慮的重要事項。endprint