屈曲支撐在某框架結構中的合理應用

黃昌厚　李佩佩

摘 要：屈曲約束支撐作為一種新型抗震耗能構件，應用日漸廣泛。以實際工程為例，文章詳細介紹了屈曲約束支撐在混凝土框架結構設計中的布置原則及計算方法，著重闡述屈曲約束支撐在混凝土框架結構設計中的諸多要點，并對加設屈曲約束支撐前后結構抗震性能的變化進行對比分析。結果表明，在混凝土框架結構中設置一定數量的屈曲約束支撐，可有效改善建筑結構抗震性能。文章結果對屈曲約束支撐的推廣應用具有積極的推動作用，可為相似工程的設計提供指導、借鑒。

關鍵詞：屈曲約束支撐；混凝土框架結構；抗震性能；抗側剛度；層間位移角

目前，我國抗震規范規定的結構抗震設防三個水準目標：“中震可修、小震不壞、大震不倒”是在1976年唐山地震后提出并在89抗震規范予以明確的規定，也是確保結構安全最基本的抗震性能化設計目標。

屈曲約束支撐作為一種抗震耗能構件，在日本、美國等國家應用已較為普遍，它是金屬屈服耗能裝置中的一種，在多遇地震作用下，它處于彈性范圍，與主體結構共同組成豎向桁架體系，使整體結構具有足夠的抗側剛度；在大震作用下，隨著結構側向變形和層間位移的增大，將產生較大的阻尼消耗輸入的地震能量，迅速衰減結構的振動反應，起到一定的“保險絲”作用，保護主體結構及構件在強震中免遭破壞。此類結構滯回耗能性能優良，施工安裝方便、經濟，在現今及未來的工程實際中將會有越來越多的應用。文章通過某實際工程，介紹了屈曲約束支撐在混凝土框架結構中諸多設計注意事項，可為今后相似工程的設計提供參考。

1 工程概況

本工程為某技術學院實訓樓綜合樓工程，總建筑面積32281.81m2，抗震設防烈度為7度，地上局部高層為9層，結構高度38.4m，建筑安全等級二級，設計使用年限為50年，根據《分類標準》，該工程屬于乙類建筑，應按8度進行抗震計算和構造，高層框架抗震等級一級。

2 結構選型

筆者起初對于局部高層部分（已用抗震縫與其他多層部分分開）按普通混凝土框架進行設計，框架結構抗震等級一級，通過試算后發現柱子截面尺寸需要1～1.4m，對建筑使用空間的影響很大，并且柱子配筋十分困難，后又采用多種方案進行試算比對，現對幾種初選方案進行簡單歸納如下表1：

表1

結構方案 結構

重量 施工

速度 小震性能 大震性能

混凝土框架—剪力墻 較重 較慢 剪力墻較少時容易超筋，當增加剪力墻至不超筋時結構布置影響建筑使用功能，結構剛度較大，不經濟 連梁及框架梁柱為主要耗能構件，修復困難

混凝土框架—普通支撐 較輕 較快 結構剛度較大，扭轉性能好 普通支撐受壓屈曲，框架梁柱易出現塑性鉸

混凝土框架—屈曲約束支撐 較輕 較快 結構剛度適中，扭轉性能好，屈曲約束支撐布置靈活 屈曲約束支撐為主要耗能構件，保護結構主要構件

混凝土框架 輕 較快 結構剛度較小，結構體系無法滿足規范要求 框架梁柱為主要耗能構件，修復困難

通過以上比對能直觀的看出采用混凝土框架-屈曲約束支撐的結構最為合理。

2.1 屈曲約束支撐設計方法

2.1.1 布置方式

屈曲約束支撐的立面示意圖如下圖1所示，布置位置可根據建筑平面靈活布置，也可放置于隔墻中，可根據平面交通的需要采用V形、人字形或單斜桿布置，不會對建筑的使用功能及外立面產生影響。

2.1.2 布置原則

屈曲約束支撐應布置在能最大限度地發揮其耗能作用的部位，同時又要兼顧建筑功能的使用要求，并滿足結構整體受力的需要。屈曲約束支撐布置原則如下：

（1）地震作用下結構會產生較大支撐內力的部位。

（2）地震作用下層間位移較大的樓層。

（3）宜沿結構兩個主軸方向分別布置。

2.2 計算方法

以SATWE為例，定義屈曲約束支撐的方法與定義普通鋼支撐方法類似。首先初步擬定鋼支撐芯材的等效截面面積，在斜桿布置中，選用正方形截面型式，按等效截面面積折算參數輸入，將斜桿布置于相應位置處。定義完成后，進入SATWE前處理中選擇“2.特殊構件補充”，檢查屈曲約束支撐兩端節點是否為鉸接，如不是，需將支撐兩端定義為鉸接。之后，進入SATWE前處理的“生成SATWE數據文件及數據檢查”項，檢查完畢后進行結構內力、配筋計算，計算完畢后查看結構總體指標、結構構件承載力是否滿足要求。

查看計算結果時，屈曲約束支撐的長細比會出現不滿足要求的狀況，由于屈曲約束支撐構件本身滿足穩定性的要求，進行整體結構的計算時無需考慮其自身穩定問題，僅查看支撐構件強度是否滿足承載力要求。

2.3 帶屈曲約束支撐的框架結構設計要點

（1）調試支撐截面大小及數量：根據支撐成品的外觀尺寸，在不影響建筑室內空間和使用功能要求前提下，初步確定芯材截面的等效截面面積，在PM里采用斜桿單元定義鋼支撐構件，在平面相應位置布置一定數量的支撐，進行結構試算，如果層間位移角、周期比、剛度比等指標不滿足規范要求，可采取改變支撐等效截面面積、增加支撐數量、改變支撐布置形式或改變平面布置位置等措施進行優化設計，直至各項指標滿足規范要求。

（2）整體結構進行多遇地震計算時，結構的阻尼比取值不應大于0.045，或按混凝土框架部分和鋼支撐部分在結構總變形能所占的比例折算為等效阻尼比。

（3）多遇地震作用計算時，結構彈性層間位移角宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用計算時，結構彈塑性層間位移角控制在1/80左右。需要注意的是，在進行罕遇地震作用下的彈塑性計算時，結構阻尼比應取0.0。

（4）支撐節點處框架梁梁寬不宜小于350mm，以方便安裝節點板，且上下層的平面位置宜確保支撐中心線在一個豎向平面內。當上下層支撐中心線無法保證在一個豎向平面內時，中心線的間距不應大于柱寬的1/4。

（5）當門窗不能放置于支撐與梁、柱間的間隙時，支撐與門窗要注意避讓，使之與門窗不在一個豎向平面內，該層上下梁寬需加大或偏移布置。當支撐斜桿軸線偏離混凝土柱軸線超過柱寬1/4時，柱計算時應考慮支撐引起的附加彎矩影響。

（6）支撐可嵌入填充墻內，但墻內的構造柱、圈梁等混凝土非主體受力構件的鋼筋不應直接焊于支撐外層的鋼套管上，可用鋼構件做過度連接，同時支撐與墻體間設一定厚度的水泥砂漿保護層。

（7）支撐布置于樓梯間時，支撐與梯柱、梯梁應避開，方法有：①將人字支撐改成V形撐或單斜撐，同時調整梯柱、梯梁位置，使之與支撐錯開；②加大梁寬，使支撐和梯柱、梯梁布置在兩個豎向平面內。

3 結構總體指標對比

3.1 結構總質量

結構總質量基本一致，相差不超過1.5%，見下表3.1。

3.2 結構周期

結構前三個周期及平動扭轉情況的計算結果如下表3.2所示：

3.3 結構位移角

在考慮雙向地震作用時，純框架模型：X向最大層間位移角為1/439（6層）；Y向最大層間位移角為1/439（6層）。未滿足《抗規》第5.5.1條規定的框架結構最大位移角1/550的限值。

而結構加了BRB模型后：X向最大層間位移角為1/610（6層）；Y向最大層間位移角為1/603（6層）。均滿足《抗規》第5.5.1條規定的框架結構最大位移角1/550的限值。

3.4 結構位移比

在考慮地震作用時，純框架模型：X向最大層間位移比為1.13（2層）；Y向最大層間位移比為1.12（2層）。BRB模型：X向最大層間位移角為1.10（2層）；Y向最大層間位移角為1.11（2層）。

通過以上對比，可以看出純框架結構方案在結構計算中主要存在如下問題：

（1）層間位移角過大，不滿足規范1/550的限值要求。

（2）周期比稍大，扭轉剛度偏小。

通過在X、Y向增設BRB（支撐的布置位置盡量不影響建筑），屈曲約束支撐方案達到以下效果：

（1）提高結構抗側剛度，使層間位移角滿足規范要求。

（2）由于支撐對撐布置，較大幅度增加了結構抗扭剛度，改善結構的扭轉周期，進一步的降低了結構的周期比。

計算結果表明，在多遇地震作用下，采用屈曲約束支撐方案，結構抗側及抗扭剛度得到提高，能夠滿足現行規范的各項指標控制要求。

4 對比結果

4.1 抗震性能

原有結構體系的特點為，建筑高寬比較大，抗側剛度小，位移大，導致所需要的梁柱截面都會相應增加。混凝土框架屈曲約束支撐結構體系，質量輕，本身結構吸收的地震作用就比框架剪力墻結構小很多，因此，結構的梁柱截面也會相應減小很多，并且屈曲約束支撐，作為耗能構件率先屈服耗能，從而保護了主體框架梁柱不發生破壞，而屈曲約束支撐如果發生耗能破壞后，方便更換，保證結構可以繼續安全使用。

混凝土框架-屈曲約束支撐結構體系除了具有常規的框架-支撐結構體系的優點外，由于引入了耗能減震構件-屈曲約束支撐，還具有如下較為顯著的特點：

對普通支撐結構，大震作用下一旦支撐屈曲，結構剛度迅速退化，大震作用下的抗震性能難以保證；由于普通支撐截面比屈曲約束支撐大，結構剛度明顯增大，多遇地震下地震力也顯著增大；普通支撐結構由于地震力的增大，不僅增大抗側力結構（框架柱、梁及支撐）用鋼量，同時也增加地基基礎、節點連接的費用。

由于屈曲約束支撐可以不受穩定和長細比的限制，因此，采用屈曲約束支撐可任意調節結構的抗側剛度來滿足規范的要求；屈曲約束支撐在多遇地震作用下處于彈性工作狀態，能夠給結構提供抗側剛度和抗扭剛度；在設防烈度地震甚至罕遇地震作用下，屈曲約束支撐的芯板進入屈服滯回耗能階段，能夠極大地耗散地震輸入的能量，從而減小框架梁柱的塑性變形，保護梁柱不會發生大的破壞；強震后屈曲約束支撐檢查、更換方便，便于建筑在大震后的迅速修復使用。

因此，框架-屈曲約束支撐體系具有很大的優勢。

5 結語

文章通過某實際工程，介紹了耗能型屈曲約束支撐在混凝土框架結構設計中的應用，得到如下結論：

（1）加設屈曲約束支撐后，框架結構的整體抗側剛度增大，彈性層間位移角及彈塑性層間位移角限值比框架結構宜適當提高。

（2）屈曲約束支撐可降低超長結構扭轉變形對結構抗震性能的不利影響，改善混凝土純框架結構的抗震性能，具有較好的社會和經濟效益。

（3）對于建筑平面布置要求比較高，限定柱截面，無法滿足框架剪力墻結構布置的結構，加設屈曲約束支撐是一個解決問題的途徑。

參考文獻

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作者簡介：黃昌厚（1973- ），男，山東德州人，本科，德州市建筑規劃勘察設計研究院，高級工程師；李佩佩（1986-），女，山東德州人，本科，德州市建筑規劃勘察設計研究院，中級工程師。