屈曲約束支撐在某框架加層改造中應(yīng)用

■ 于 磊 YU Lei

0 引言

房屋進(jìn)行加層改造后，結(jié)構(gòu)的豎向荷載將有所增加，且橫向地震力也會有一定增大。由于抗震承載力及剛度往往無法滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）的要求，使得加固工程量較大。結(jié)構(gòu)工程師要充分認(rèn)識到加固改造工程的特點，盡力識別“既有”信息，盡量踐行最小結(jié)構(gòu)處理原則；加固設(shè)計應(yīng)綜合考慮，盡量用一種工作解決多種問題。若在原有結(jié)構(gòu)中加裝屈曲約束支撐，則既可以增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，又提高了結(jié)構(gòu)耗能能力，減少了單個構(gòu)件的加固量。

屈曲約束支撐是一種具有消能機(jī)制的新型鋼結(jié)構(gòu)支撐，其受拉時等同于普通支撐，而受壓時，其承載力與受拉時相當(dāng)。屈曲約束支撐僅芯板與其他構(gòu)件連接，所受的荷載全部由芯板承擔(dān)，外套筒和填充材料僅約束芯板受壓屈曲，使芯板在受拉和受壓下均能進(jìn)入屈服，因此，屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良。前些年，由于國外專利等原因，屈曲約束支撐價格比較昂貴，國內(nèi)很少應(yīng)用。近幾年，我國科技工作者致力于研究開發(fā)屈曲約束支撐，已獲得了十余種不同類型支撐的專利，并形成了一套成熟完整的設(shè)計思路及節(jié)點做法，使屈曲約束支撐不僅可以應(yīng)用于新建建筑中，還能廣泛應(yīng)用于既有建筑的加固工程中[1]。

1 工程概況

某建筑始建于2009年，目前為3層（局部4層）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。房屋總長約87.8m，寬約30m，總建筑面積約為10 000m2。基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，樁為端承摩擦樁型預(yù)制混凝土管樁，樁長19.6m，樁頂標(biāo)高-2.4m，單樁承載力極限值為1 020kN，單樁承載力特征值為510kN。框架柱、梁、板設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，南北向主要柱距為3 900mm、8 700mm，東西向主要柱距8 700mm；主要柱子截面尺寸為700mm×700mm、400mm×400mm、600mm×600mm三種規(guī)格，主要梁截面尺寸為350mm×750mm、350mm×800mm、350mm×700mm三種規(guī)格。±0.00以上外墻為200厚混凝土多孔磚，采用DM7.5混合砂漿；±0.00以上內(nèi)墻為190厚混凝土小型空心砌塊，采用MB7.5專用砂漿。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度7度，建筑設(shè)計使用年限50年。

根據(jù)業(yè)主提供的改造方案，本次改造需要在原3層（局部4層）的基礎(chǔ)上，加建2層，改造后建筑為5層（局部6層）。原建筑1～3層的平面布置保持不變，加層后建筑總高度由22.3m提高至31.45m。建筑使用功能保持不變，現(xiàn)各層仍為紡織廠房，樓面使用荷載按照400kg/m2考慮。首層平面如圖1所示。

2 抗震鑒定

為了解結(jié)構(gòu)性能，并為后續(xù)加固改造提供技術(shù)依據(jù)，業(yè)主委托我司對加層改造后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定，在此基礎(chǔ)上再做相應(yīng)的加固設(shè)計。

圖1 首層平面圖

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009），該房屋屬C 類建筑，應(yīng)按照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范核查其抗震措施和抗震承載力。房屋高度現(xiàn)為22.3m，改造后約為31.45m，其抗震等級將由III級提高到II級。采用中國建筑科學(xué)研究院研制的PK-PM系列軟件對加層后的房屋進(jìn)行抗震驗算（表1），結(jié)果表明：若進(jìn)行加層，結(jié)構(gòu)大部分抗震指標(biāo)不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，且原1層柱的承載力不滿足計算要求，原2層部分柱及原屋面部分梁承載力不滿足計算要求。

3 加固設(shè)計

3.1 方案選擇

本項目為鋼筋混凝土純框架，根據(jù)加層后抗震鑒定報告，結(jié)構(gòu)周期比、最大層間位移角及側(cè)向剛度比均不滿足規(guī)范要求。如果僅采用傳統(tǒng)加固方法加大柱截面，則加固工程量巨大，顯然不是最優(yōu)方案。為提高底層鋼筋混凝土框架剛度，擬采用剪力墻加固或屈曲約束支撐（BRB）[2]加固方案。考慮到剪力墻平面布置位置有限、施工繁瑣、周期較長，且在地震中破壞后較難修復(fù)，而屈曲約束支撐平面布置靈活、施工簡單、周期短，抗震加固效果明顯，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比選，最終采用屈曲約束支撐加固方案。

3.2 屈曲約束支撐加固方案設(shè)計

在不影響房屋使用功能的前提下，屈曲約束支撐應(yīng)布置在能最大限度發(fā)揮其耗能作用的部位。合理設(shè)置屈曲約束支撐可以使結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比及側(cè)向剛度等抗震指標(biāo)滿足或者接近規(guī)范要求。經(jīng)大量分析計算，最終確定僅在底層鋼筋混凝土框架中布置屈曲約束支撐，其中，BRB1～BRB3采用人字撐，BRB4采用單斜撐，約束支撐的平面布置及立面布置見圖2、3。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震驗算

采用中國建筑科學(xué)研究院研制的PK-PM系列軟件對設(shè)置屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗算，結(jié)果表明：若按此方法增設(shè)屈曲約束支撐，結(jié)構(gòu)大部分抗震指標(biāo)滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，設(shè)計計算結(jié)果見表2。對比表1及表2的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，純框架的周期比、最大層間位移角超過規(guī)范限值，側(cè)向剛度明顯不足；但通過設(shè)置屈曲約束支撐，有效提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，周期比及最大層間位移角也能滿足規(guī)范限值。

表1 抗震鑒定結(jié)果（無屈曲約束支撐）

圖2 屈曲約束支撐( BRB)平面布置圖

圖3 屈曲約束支撐( BRB)立面布置圖

根據(jù)PKPM計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)1層新增的屈曲約束支撐( BRB）應(yīng)力比基本在0.6～0.9之間，可以滿足BRB在小震下處于彈性工作的要求。本工程新增屈曲約束支撐的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)的自重，卻顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，抗震承載力明顯提高，且屈曲約束支撐布置靈活，便于安裝，無需另設(shè)基礎(chǔ)，施工周期短。

圖4表示結(jié)構(gòu)在多遇地震下X及Y方向的層間位移角。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置屈曲約束支撐后，大大提高了結(jié)構(gòu)上部的抗側(cè)承載力，降低了結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的位移響應(yīng)。

表2 設(shè)計計算結(jié)果（設(shè)置屈曲約束支撐）

圖4 多遇地震作用下層間位移角圖

表3 設(shè)置BRB前后構(gòu)件承載力計算對比

由于增設(shè)的屈曲約束支撐分擔(dān)了主體結(jié)構(gòu)部分的地震作用，減少了原有框架結(jié)構(gòu)的地震作用，從而普遍降低了構(gòu)件的地震力，使得原結(jié)構(gòu)承載力不足的構(gòu)件在增設(shè)屈曲約束支撐后滿足要求。根據(jù)與原結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的比對結(jié)果，1～4層框架梁柱的加固梁降低了20%～35%不等，具體結(jié)果見表3。

4 結(jié)語

對于設(shè)置屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)體系，其在小震作用下的彈性計算可以采用目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的PKPM軟件進(jìn)行模擬。本工程計算結(jié)果表明，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)增設(shè)屈曲約束支撐加固后，有效地提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，周期比及最大層間位移角也能滿足規(guī)范限值。此外，增設(shè)屈曲約束支撐后，承載力不足的單個構(gòu)件數(shù)量明顯減少。同時，由于其施工周期短,對建筑內(nèi)部的使用功能影響小的特點,在改造加固中節(jié)約了工期和材料。可以預(yù)見，屈曲約束支撐技術(shù)在加固改造工程中的應(yīng)用將成為一種新的趨勢,具有極大應(yīng)用前景。