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(gòu)件，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。以實(shí)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(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用，著重闡述了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)加設(shè)屈曲約束支撐前后的結(jié)構(gòu)抗震性能的變化進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，基于剪力比的屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，能夠明顯改善建筑物的抗震性能。顯示結(jié)果對(duì)基于剪力比的屈曲約束支撐的全面推廣及應(yīng)用具有重要意義，可以為相似的工程提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：剪力比；屈曲約束支撐；混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)自從北嶺地震之后就開(kāi)始注重在工程中應(yīng)用屈曲約束支撐。在大量理論論證和實(shí)踐研究的基礎(chǔ)之上，在2001年，北加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)與美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)共同針對(duì)屈曲約束支撐進(jìn)行了規(guī)定條文的編制工作，這項(xiàng)條文已經(jīng)于2003年被聯(lián)邦應(yīng)急管理局納入最新的抗震規(guī)定之中，同時(shí)也被最新版的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》收錄。

2004年，Kim等研究人員對(duì)屈曲約束支撐鋼框架提出了一種新的基于位移的設(shè)計(jì)方法，這種方法中的建筑主體結(jié)構(gòu)能夠在地震的作用下依然保持彈性，可以通過(guò)屈曲約束支撐來(lái)有效承擔(dān)側(cè)方向的載荷，將多自由度的體系等同于等質(zhì)量、阻尼比和剛度均相同的單自由體系，能夠通過(guò)阻尼比來(lái)獲得作用于主體結(jié)構(gòu)的地震力。實(shí)踐表明，采用該方法時(shí)，3～5層的屈曲約束支撐能夠與建筑物的設(shè)計(jì)目標(biāo)良好吻合，在實(shí)際中能夠充分發(fā)揮其作用。

國(guó)外對(duì)屈曲約束支撐的研究已經(jīng)比較普遍，相比之下，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。2005年，劉建彬在總結(jié)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)建筑物建設(shè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。

此方法首先按照大震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將遭遇大震時(shí)屈曲約束支撐的能耗轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗟冉Y(jié)構(gòu)阻尼，通過(guò)對(duì)建筑物主體結(jié)構(gòu)地震力的折減，來(lái)達(dá)到可靠支撐的設(shè)計(jì)目的。該方法缺點(diǎn)也十分明顯，其設(shè)計(jì)思路是從大地震入手，與我國(guó)建筑物規(guī)范中的“小震設(shè)計(jì)，大震驗(yàn)算”的設(shè)計(jì)思路背道而馳，具體實(shí)施起來(lái)步驟繁雜，因此很難進(jìn)行大規(guī)模的推廣使用。

2 屈曲約束支撐的作用機(jī)理

作為抗震構(gòu)件的一種，屈曲約束支撐在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。它的作用原理如下：在多遇地震的情況下，該構(gòu)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(cè)剛度；而在遭遇罕見(jiàn)大地震的情況下，其又進(jìn)入塑性狀態(tài)工作，能夠通過(guò)支撐線材的軸向伸縮變形來(lái)緩解地震的巨大輸入能量，起到類似于“保險(xiǎn)絲”的作用。屈曲約束支撐的使用，不僅能夠有效地保護(hù)建筑物主體結(jié)構(gòu)在遭遇罕見(jiàn)大地震時(shí)盡可能少地受到損壞，還可以增大結(jié)構(gòu)阻尼，有效減小位移，從而達(dá)到更高水平的抗震目標(biāo)，即“小震經(jīng)濟(jì)、中震不壞、大震易修、余震不倒”。屈曲約束支撐之前常被應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程之中，而在混凝土結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)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(jì)5層，地上4層，地下1層，總建筑面積達(dá)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(guò)屈曲約束的方式得以實(shí)現(xiàn)，且該建筑物較大跨度的組件均采用鋼架結(jié)構(gòu)。另外，該工程中樓層高度不同，其所承載的負(fù)荷和結(jié)構(gòu)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(lái)明顯改善建筑物整體的剛度分布，增強(qiáng)其抗震能力。

方案之一：如果只采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)工程的抗側(cè)剛度明顯不足，不能夠滿足現(xiàn)階段《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于建筑物的規(guī)定，也就是層間位移角應(yīng)當(dāng)小于1/550；如果一味增加建筑物柱子的橫截面面積，就會(huì)進(jìn)一步壓縮整個(gè)建筑工程的利用空間，給工程帶來(lái)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(jié)構(gòu)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(guān)的混凝土剪力墻，施工不僅嚴(yán)重影響了整個(gè)建筑物的外觀結(jié)構(gòu)，而且在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，這種不對(duì)稱的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)使得建筑物整體扭曲變形，危險(xiǎn)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(gè)建筑物的抗側(cè)剛度，但是卻會(huì)影響建筑物整體結(jié)構(gòu)；如果完全采用之前常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)作為支撐，可以提高整個(gè)建筑工程的抗側(cè)剛度，同時(shí)可以對(duì)建筑物在較大地震災(zāi)害中第一震型的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題加以防止和修正。但此方案最大的問(wèn)題是當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，所采用的鋼結(jié)構(gòu)支撐框架會(huì)遭受到很大的來(lái)自軸向的應(yīng)力作用，從而很容易出現(xiàn)應(yīng)力屈服的現(xiàn)象。

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

如果將這個(gè)建筑采用鋼管作為支撐，由于建筑整體的混凝土架構(gòu)，兩者之間的緊密連接就會(huì)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(duì)而言比較適合該建筑工程項(xiàng)目。該技術(shù)不僅能夠提升整個(gè)建筑物的抗側(cè)剛度，改善扭轉(zhuǎn)變形，還能夠降低節(jié)點(diǎn)之間的剪力和軸力之間的相互作用，使得節(jié)點(diǎn)更加易于設(shè)計(jì)施工。設(shè)計(jì)基于剪力比的屈曲約束支撐時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)建筑工程整體的剛度需求有個(gè)總體的把握，根據(jù)符合規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)所需的抗側(cè)剛度來(lái)確定建筑物屈曲約束支撐的橫截面尺寸。當(dāng)達(dá)到這一要求之后，還需要對(duì)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況進(jìn)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(dāng)未采用屈曲約束支撐時(shí)，建筑整體抗側(cè)剛度欠缺，層間位移角無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用基于剪力比的屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)之后，性能指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，上部薄弱部分抗側(cè)剛度也明顯增加，有效減少整個(gè)建筑物的層架位移。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

[1]王建華，于巖磊.帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2013（05）：41-44.

[2]劉毅強(qiáng).屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用[J].山西建筑，2016（33）：41-43.

〔編輯：劉曉芳〕