屈曲約束支撐在結構抗震加固中的應用

姚長軍

摘要：作為當前建筑支撐結構應用的基本形態，屈曲約束支撐具有優良的滯回性能;其能實現建筑抗震性能的有效保障。本文在闡述屈曲約束支撐基本內涵的基礎上，對其抗震加固的有限元模型進行分析，并指出屈曲約束支撐在結構抗震加固中的具體應用。以期有利于屈曲約束支撐應用質量的提升，進而推動建筑工程行業的進一步發展。

關鍵詞：屈曲約束支撐;建筑結構;抗震加固;有限元

隨著建筑工程的不斷發展，人們對于建筑抗震性能的要求不斷提升;鋼結構的抗彎曲性能較為突出，故而在建筑工程中的應用不斷廣泛。傳統工程建設中，抗彎鋼框架體系、支撐框架結構以及雙重結構體系是鋼結構應用的三種基本形態，然而隨著建筑高度的增加，鋼結構會產生柔性變化，影響整體的剛度和抗震性能?；诖?，屈曲約束支撐得以應運而生。

一、屈曲約束支撐的基本內涵

屈曲約束支撐是鋼結構建筑應的全新形態，其包含了軸力構件單元、屈曲約束單元、連接單元和隔離單元四個基本組成部分^[1]。支撐應用中，四個單元結構相互影響，相互作用。具體而言，軸力構件單元能夠實現軸向荷載的有效消除;在其周圍環包有屈曲約束單元，一旦軸力構件單元受壓或受壓較大，則屈曲約束單元會發生作用，防止其變形現象的發生。連接單元應用的目的在于是實現屈曲約束支撐與建筑結構的連接，一般情況下，其處于軸力構件單元的兩端。隔離單元應用中，橡膠、聚乙烯、硅膠等材料是其應用的基本形態，其能防止軸力構件單元芯材對屈曲約束單元的作用，確保了結構整體支撐能力的提升。

二、屈曲約束支撐抗震性能的有限元分析

1、屈曲約束支撐的有限元模擬

抗震設計過程中，傳統的房屋設計以梁、柱以及節點的塑性變形進行地震輸入能力吸收。從應用過程來看，這種應用結構的非線性變形較為明顯，在地震過程中受拉力和壓力的作用較為直接，導致其修復難度及成本的增加。

屈曲約束支撐應用中，若受到地震拉力或壓力作用，則其會表現出較為突出的滯回性能和耗能能力，并使得自身的滯回曲線更加飽滿，滯回環不會出現剛度退化^[2]。從宏觀力學性能看，屈曲約束支撐可近似表達為雙線型模型的Wen塑性模型（見圖1）。有限元模擬過程中，通過塑性連接單元的應用，即可實現鋼結構中屈曲約束支撐單元的有效模擬;并在工程設計指標的控制下，即可實現塑性模型參數的準確把控。工程實踐中，為確保Wen塑性模型把控的規范，設計人員需對屈服后剛度比和屈服指數進行嚴格控制。一般情況下，屈服后剛度比取值為0.01，而屈服指數取值為2。

屈服約束支撐框架有限元分析過程中，一旦受地震荷載作用，則軸心受力構件會受到拉力和壓力兩種作用。拉力作用下，軸心拉力、構件凈截面面積、材料抗拉強度設計值等都會對構件受力值產生影響。其關系可表示為：

式中，a表示構件的受力狀況;而N和A_n分別表示軸心拉力和構件凈截面面積;此外，f代表了材料抗拉強度設計值。由式可知，為確保屈曲約束支撐結構具有較強的支撐能力，應對其材料抗拉強度進行充分保證，從而確保其在受拉狀態下的狀態良好。

受壓狀態下，材料抗壓強度和構件穩定性是影響其支撐效果的兩個基本要素。當材料抗壓強度確定后，構件穩定性可表達為：

式中，A表示構件的毛截面面積，而F為軸心受壓構件的穩定系數。通常，軸心受壓構架內的穩定系數取正數，且取值范圍小于1^[3]。普通構件應用中，其抗壓能力與抗拉能力存在較大差距，構件存在較大的長細比，故而壓力承受能力較弱，而在屈曲約束支撐中，高階模態下芯材屈曲的極限荷載得以有效控制，從而在提升材料受壓能力的同時，確保了其抗彎曲性能的有效提升

2、屈曲約束支撐在結構抗震加固中的應用特征

基于屈曲約束支撐有限元分析可知，建筑結構抗震加固中，屈曲約束支撐的應用具有以下特征：其一，屈曲約束支撐應用中，受壓穩定性問題得以控制，一旦遇到風載或地震作用，其承載能力可達到普通建筑的2～10倍;并且在相同承載條件下，屈曲約束支撐的截面積相對較小，結構的側向剛度變柔，其在延長結構自振周期的同時，實現了地震反應的良好控制。其二，中震作用下，屈曲約束支撐的塑性變性相對有限，工程建設人員只需將產生塑性變性的約束支撐予以更換，即可實現震后建筑的繼續使用，具有較強的屈服承載能力。其三，一旦發生較大強度的地震作用，則屈曲約束支撐可憑借著優越的變形能力和滯回能力，實現大振作用能量的有效消耗，從而確保建筑抵御大震能力的增強。

三、屈曲約束支撐在結構抗震加固中的具體應用

1、工程概況

某酒店工程項目位于上海市青浦區徐涇鎮，工程建設總跨度較廣，其中，南北界線分別為盈港東路和會鼎路，而東西走向由蟠祥路延伸至蟠龍路。建筑總面積為18216.2平方米。酒店主體結構建設中，為確保酒店抗震性能的可靠，鋼結構屈曲約束支撐是其基本的建設形態。具體建設中，酒店樓層總高為47m，分11層建設施工，其中檐口標高為43.6米，柱高和跨度均為8.4米，建筑總用鋼為1900噸。

2、屈曲約束支撐在結構抗震加固中的應用

本酒店工程屬于新建鋼結構建筑?？拐鸺庸腆w系應用中，工程建設人員對屈曲約束支撐的鋼框架承載能力進行分析，并在有限元模型控制下，實現了抗側力的有效保證。具體而言，工程建設人員首先對材料的防屈曲性能進行計算，確保了地震作用下，材料抗壓能力的滿足，并且在材料用量控制中，實現了抗振特性與經濟效益的吻合。另外，本項目系平面結構較為規整，而豎向結構進行了建筑新結構的應用，這就使得平面和豎向的地震荷載分擔出現較大差異。平面結構應用中，本工程適當的進行屈曲約束支撐材料規格的優化，確保了其結構阻尼效果的增強，實現了抗震穩定性的提升。而在豎向結構應用中，薄弱層、加強層應用是屈曲約束支撐應用的主要形式。在不規則豎向結構的薄弱層，建筑的側向剛度和承載力會有所下降，此時在屈曲約束支撐加強層設置下，建筑不規則變性的發生概率大大縮小，有效的保證了酒店抗震能力的提升提升。

結論

屈曲約束支撐對于建筑抗震能力提升具有深刻影響。實踐過程中，工程建設人員只有充分認識到屈曲約束支撐的應用優勢，并在分析其抗震性能影響因素的同時，進行實際工程建設的規范應用，才能確保屈曲約束支撐應用質量的提升，進而推動建筑工程行業的進一步發展。

參考文獻

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[2]張媛，尤國萍. 屈曲約束支撐研究進展[J]. 江西建材，2017（5）：15-15.

[3]劉靜. 屈曲約束支撐（BRB）在中小學校舍抗震加固工程應用[J]. 福建建筑，2017（5）：57-61.

（作者單位：中國核工業華興建設有限公司上海分公司）