防屈曲支撐混凝土框架支撐跨受力狀態(tài)和設(shè)計(jì)分析

韓 磊 趙彩飛

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾 041000; 2.臨汾萬佳基礎(chǔ)有限公司，山西 臨汾 041000)

1 研究背景

我國位于世界兩大地震構(gòu)造系的交匯區(qū)域，是地震多發(fā)的國家之一。房屋建筑的嚴(yán)重破壞和倒塌是造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的主要原因。因此，提高建筑物抗震性能是工程設(shè)計(jì)人員和科研人員的主要任務(wù)之一。震害分析表明，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度，剛度和延性抵御地震作用的方法是消極被動(dòng)的。結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主動(dòng)控制，近年來得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。防屈曲支撐(BRB)憑借其良好穩(wěn)定的性能，較低的成本等優(yōu)點(diǎn)成為了耗能減震技術(shù)的重要手段之一。

防屈曲支撐的構(gòu)造主要包括核心單元、約束單元及無粘結(jié)層。如圖1所示，理論上防屈曲支撐框架的支撐軸力完全由核心單元來承擔(dān)，在多遇地震下為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，在設(shè)防和罕遇地震作用下全截面進(jìn)入屈服實(shí)現(xiàn)耗能。約束單元為核心單元提供約束，避免其在受壓狀態(tài)下屈曲。無粘結(jié)層用來減小核心單元與約束單元之間的摩擦[1-3]。

防屈曲支撐在實(shí)際工程中已有較多的應(yīng)用實(shí)例，例如：上海世博中心、北京大興國際機(jī)場、臺(tái)北縣政府大樓、山西省圖書館等。然而，大震作用下防屈曲支撐混凝土框架支撐跨結(jié)構(gòu)往往無法發(fā)揮出預(yù)期的抗震性能。主要原因在于，結(jié)構(gòu)增設(shè)防屈曲支撐后其實(shí)際的受力狀態(tài)與預(yù)期受力狀態(tài)存在較大差異。按照規(guī)范規(guī)定方法對(duì)支撐跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)和采用相應(yīng)構(gòu)造措施可能致使結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮出預(yù)期的抗震性能。

2 研究概況

2.1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)防屈曲支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能已展開了一系列研究。一些研究表明，大震作用下，防屈曲支撐混凝土框架支撐跨結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮出良好和穩(wěn)定的抗震性能，結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的抗震目標(biāo)。顧爐忠等[4]對(duì)3榀單層單跨的防屈曲支撐混凝土1∶2框架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，支撐跨結(jié)構(gòu)的極限層間位移角可達(dá)2%～2.6%。同時(shí)，支撐跨框架梁柱表現(xiàn)出合理的屈服機(jī)制；Wu等[5]對(duì)2層單跨的足尺防屈曲支撐混凝土新建框架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，加設(shè)防屈曲支撐極大程度地提高了框架的強(qiáng)度、剛度及延性，子結(jié)構(gòu)的極限層間位移角達(dá)到4.5%。劉如月[6]對(duì)4榀1∶2縮尺比例的3層單 跨新建防屈曲支撐混凝土框架進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，與純RC框架相比，加設(shè)防屈曲支撐后結(jié)構(gòu)在承載力、抗側(cè)剛度、變形能力、耗能能力等方面均有較大的提高。

然而一些研究表明，支撐跨結(jié)構(gòu)未能發(fā)揮出預(yù)期的抗震性能，主要表現(xiàn)為：支撐跨結(jié)構(gòu)可能在較小的層間位移角下失效，子框架梁柱發(fā)生非預(yù)期的破壞模式等。Di Sarno等[7]對(duì)2層2跨的防屈曲支撐混凝土框架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，由于設(shè)計(jì)時(shí)未合理考慮支撐與支撐跨框架梁柱之間的相互作用，框架結(jié)構(gòu)的極限層間位移角僅為1%；馬晨光等[8]對(duì)2榀既有3層單跨RC框架進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，防屈曲支撐顯著提高了支撐跨框架結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、耗能能力等，但支撐跨框架節(jié)點(diǎn)發(fā)生了剪切破壞，支撐體系提前失效。Della Corte等[9]對(duì)一棟防屈曲支撐加固2層既有混凝土框架進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，雖然結(jié)構(gòu)整體的極限層間位移角達(dá)到了3%,但在加載過程中，子框架柱呈現(xiàn)出柱鉸屈服機(jī)制，且塑性鉸出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱交界面處。

2.2 當(dāng)前研究存在的問題

從上述研究現(xiàn)狀可以看出，增設(shè)防屈曲支撐在一定程度上能夠提高混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前，仍存在以下問題需要進(jìn)一步明確和解決：

1)當(dāng)前研究均未合理考慮附加支撐對(duì)支撐跨框架梁柱受力狀態(tài)的影響。目前的研究中，設(shè)計(jì)人員及科研人員往往僅關(guān)注框架對(duì)于支撐的單向影響。地震作用下支撐跨框架除了承受支撐軸力外，由于節(jié)點(diǎn)板的存在，其實(shí)際的受力狀態(tài)與預(yù)期受力狀態(tài)存在顯著差異。

2)支撐跨框架仍沿用規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法顯然是不合理的。配筋設(shè)計(jì)未按照實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行配置可能導(dǎo)致支撐跨框架梁柱發(fā)生非預(yù)期的破壞模式，進(jìn)而導(dǎo)致其在較小的層間位移角下失效，無法充分發(fā)揮防屈曲支撐的耗能減震目的。

3 支撐跨結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析及設(shè)計(jì)建議

3.1 支撐跨結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)分析

防屈曲支撐混凝土框架支撐跨的實(shí)際受力狀態(tài)與預(yù)期受力狀態(tài)存在顯著差異(見圖2)。首先，由于節(jié)點(diǎn)板的存在(見圖2b))，除了由防屈曲支撐軸向力對(duì)支撐跨結(jié)構(gòu)剛度的提高外，節(jié)點(diǎn)板對(duì)其剛度提高的影響也不可忽略，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)板對(duì)于支撐跨結(jié)構(gòu)剛度提高的影響往往未進(jìn)行合理考慮，可能導(dǎo)致支撐跨結(jié)構(gòu)自身的抗力無法有效抵御地震作用效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致支撐跨框架提前發(fā)生破壞。其次，由于節(jié)點(diǎn)板的存在，支撐跨框架梁(柱)的塑性鉸位置可能由梁柱交界面轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)板端部，塑性鉸的轉(zhuǎn)移會(huì)使支撐跨框架梁(柱)的實(shí)際長度減小，進(jìn)而減小支撐跨框架梁(柱)的剪跨比，增加了其剪切破坡的可能性。塑性鉸的轉(zhuǎn)移對(duì)于保證防屈曲支撐的有效連接是極為有利的，吻合能力設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域的受力狀態(tài)與普通梁存在顯著差異，其受力性能更加接近于深梁。對(duì)于該區(qū)域需要通過合理的抗剪設(shè)計(jì)保證其不發(fā)生剪切破壞。

3.2 支撐跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議

通過上述受力狀態(tài)的分析可以看出，支撐跨框架梁柱的預(yù)期受力狀態(tài)與實(shí)際受力狀態(tài)存在顯著差異。支撐跨框架梁柱的設(shè)計(jì)思路應(yīng)根據(jù)其受力狀態(tài)作出相應(yīng)的調(diào)整。基于上述受力狀態(tài)的分析，提出以下設(shè)計(jì)建議：

1)合理考慮由于節(jié)點(diǎn)板的存在而導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域的剛域效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度應(yīng)按照節(jié)點(diǎn)域(如圖2b)所示)完全剛性來考慮，根據(jù)節(jié)點(diǎn)板的大小對(duì)支撐跨結(jié)構(gòu)的剛度乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，完全剛性的假定對(duì)于支撐跨框架設(shè)計(jì)時(shí)是偏于保守的。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，節(jié)點(diǎn)板對(duì)于剛度的貢獻(xiàn)是否考慮，需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

2)偏于保守地考慮防屈曲支撐與支撐跨框架梁柱之間的相互作用。相對(duì)較強(qiáng)的連接一方面可以保證防屈曲支撐與支撐跨框架梁柱的有效連接，另一方面可以增加節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域的抗彎承載力，進(jìn)而塑性鉸轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)板端部的區(qū)域內(nèi)，減小節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域的破壞程度。

3)對(duì)預(yù)期的塑性鉸位置進(jìn)行箍筋加密。塑性鉸由梁柱交界面轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)板端部，按照規(guī)范規(guī)定的箍筋加密長度無法保證實(shí)際塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，所以，箍筋加密長度應(yīng)從節(jié)點(diǎn)板端部開始算起。

4)節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域應(yīng)按照深梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)板相鄰梁柱區(qū)域形成了受力不連續(xù)區(qū)域，其受力狀態(tài)與深梁相近，按照防屈曲支撐的極限承載力在該方向的正向分力對(duì)其進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)。

5)對(duì)于“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算應(yīng)考慮塑性鉸轉(zhuǎn)移的影響。從前述分析可以看出，塑性鉸的轉(zhuǎn)移使梁的有效長度發(fā)生了變化，其實(shí)際受彎和抗彎承載力之間的關(guān)系與預(yù)期存在較大差異，在強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)時(shí)，其驗(yàn)算依據(jù)應(yīng)按照梁的實(shí)際受力狀態(tài)考慮。同時(shí)，對(duì)于“強(qiáng)柱弱梁”的驗(yàn)算也應(yīng)考慮塑性鉸轉(zhuǎn)移的影響。

4 結(jié)語

防屈曲支撐作為一種耗能阻尼器近年來得到日益廣泛的應(yīng)用，然而防屈曲支撐在混凝土框架中的抗震表現(xiàn)卻不盡人意。混凝土框架在加設(shè)防屈曲支撐后，其受力狀態(tài)與純框架存在顯著差異。本文通過對(duì)防屈曲支撐支撐跨框架進(jìn)行了深入的受力狀態(tài)分析，基于受力狀態(tài)提出了更加合理的支撐跨設(shè)計(jì)建議。該設(shè)計(jì)建議主要通過控制支撐跨框架的破壞模式，進(jìn)一步有效控制支撐跨框架過早失效。本文的研究有助于充分發(fā)揮防屈曲支撐對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能減震效果，為我國高烈度區(qū)耗能減震結(jié)構(gòu)安全性提供更可靠的科學(xué)依據(jù)和理論保障。