防屈曲支撑体系的研究现状及其应用

朱 江

(沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110005)

防屈曲支撑体系的研究现状及其应用

朱 江

(沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110005)

介绍了防屈曲支撑的基本原理与组成和研究与应用现状,分析了其优缺点,展望了应用前景,提出了需进一步研究的问题.

防屈曲支撑;减震;应用

在抗震设防区建造的建筑都要考虑结构的抗震性能,结构设计时还需要考虑抗风性能.钢支撑框架结构自重轻,在地震作用下,结构所受的地震力相对较小,因此被广泛应用于抗震设防区的多、高层结构中.但传统的钢支撑在中震或大震作用下往往会发生整体失稳或局部屈曲,导致结构的延性和耗能能力显著降低,影响结构的抗震安全性,为防止失稳或屈曲,往往需要加大支撑的断面以满足设计要求,从而降低了其经济性.因此,国外一些研究者开发出一种受压时不发生屈曲的构件,称为防屈曲支撑(Buckling-Restrained Braces,简称BRB),或者无粘结支撑(Unbonded Brace,简称UBB),以改善和提高钢支撑的受力性能.由于防屈曲支撑良好的抗震性能,其在日本、美国、加拿大、中国台湾等地得到了广泛的应用,而中国大陆在这方面的研究还处于起步阶段.

1 防屈曲支撑的形式

目前,在结构中大量使用的BRB,主要是以钢管或混凝土作为约束构件的管式防屈曲支撑.图1给出几种典型的防屈曲支撑的截面形状[1].

图1 防屈曲支撑的典型截面形状

2 防屈曲支撑的基本原理和组成

2.1 防屈曲支撑的基本原理[2,3]

图2为BRB的原理图[4],不论BRB为何种形式,其受力原理基本相同:支撑在结构中起承担轴向力的作用,支撑的中心是芯材,轴向力全部由芯材承受;为避免芯材在受压时屈曲,即在受压性状与受拉时一样,芯材放置在一个约束单元中提供给弯曲限制;为确保外围约束单元既不传递轴向载荷又能保持对芯材的有效约束,芯材表面涂刷无粘结涂层和设置必要的间隙.蒙特利尔伊科尔工学院做过相同截面面积的普通支撑和防屈曲支撑的对比试验,实测的支撑滞回曲线见图3[5].

图2 防屈曲支撑原理图

图3 普通支撑与BRB的支撑滞回曲线比较

2.2 防屈曲支撑的组成

常用的防屈曲支撑主要由以下5个部分组成(图4):约束屈服段;约束非屈服段;无约束非屈服段;无粘结可膨胀材料;屈曲约束机构[6].

约束屈服段和约束非屈服段用来承受轴向荷载;屈曲约束机构环包在周围以防止约束屈服段和约束非屈服段的屈曲;无约束非屈服段在核心段的两端并且伸出屈曲约束机构,用来连接防屈曲支撑和框架结构;无粘结可膨胀材料用以分离核心构件和屈曲约束机构.在核心构件和屈曲约束机构之间应该保留一定的空隙,以避免二者之间的相互作用.

图4 防屈曲支撑的组成

3 防屈曲支撑体系(BRB F)的优缺点

与抗弯钢框架和普通支撑框架相比,BRBF有以下几个优点[3]:

①小震时BRBF线弹性刚度高,很容易满足规范的变形要求;②由于可以受拉及受压屈服, BRBF消除了传统中心支撑框架的支撑屈曲问题,因此在强震时有更强和更稳定的耗能能力;③BRB通过螺栓或铰连接到节点板,避免现场焊接及检测,安装方便且经济;④支撑构件可保护其他构件免遭破坏,并且大震后,可以方便更换损坏的支撑;⑤BRBF的设计很灵活.在非弹性分析中可以方便地模拟BRB的滞回曲线;⑥在抗震加固中,BRBF比传统支撑系统更有优越性,因为能力设计会使后者的地基费用更贵;⑦在柱截面面积相同、相近的情况下,BRBF构件的承载力不小于同类的构件,从技术角度保证了结构的可行性;⑧BRB是非承重构件,对结构的承载力和安全性不构成影响;⑨BRB在新建建筑中的使用可以避免在已有建筑中使用BRB进行抗震加固时对已有建筑的损伤.

BRBF的缺点有:

①大部分的BRB的技术均为私人拥有,不公开;②若控制不好,芯材的屈服强度变化范围很宽;③BRB的施工技术要求很高,特别是对于采用铰连接的BRB;④强震后,BRB的永久变形大;⑤需要给出各种BRB的施工、检验的标准.

4 国内外的发展和研究现状

4.1 国外发展现状

防屈曲支撑起源于日本,日本的防屈曲支撑最初的设计形式:Wakabayashi将钢板支撑夹在一对预应力混凝土板之间[7],并进行了构件试验以检验刚度和强度,子系统试验和系统试验.1988年Fujimoto对芯材和钢管间添加砂浆的UBB进行了多项研究[8],得到了钢套管的刚度和强度设计准则.2000年 Iwata等对日本四种产品的防屈曲支撑的商业应用进行了研究[9].1981年,印度也进行过相关研究.

美国自Northridge地震后开始在工程中应用这种支撑,并按支撑的受力特点称之为Bucklingrestrained Brace(简称BRB).1999年Clark在加州大学伯克利分校进行了三个大比例防屈曲支撑的试验[1].在理论分析和试验研究的基础上,2001年由北加州结构工程师协会联合美国钢结构学会和加州结构工程师协会,特别针对防屈曲支撑编制了推荐规定条文 (Recommended Bucklingrestrained Braced Frame Provisions)[10],该条文在2003年被联邦应急管理局(FEMA)纳入其抗震规定FEMA450中.并被收录进最新修订的《钢结构建筑抗震设计规程》中[11].

BRB不仅可以用于新建结构,而且还可以用于己有结构的抗震加固和改造.位于美国盐湖城的联邦大楼为钢筋混凝土结构.根据新的研究,必须对其进行抗震加固.通过对结构的非线性分析和有限元分析的优选比较后,加固工程最终使用了344根防屈曲支撑.该工程被评为犹他州2002年度优秀工程[12].2006年 Ishii Takumi对BRB在钢筋混凝土框架结构加固中可行性和支撑与梁、柱的连接方法进行了实验研究[13].2008年Bosco.M对防屈曲支撑在已有钢筋混凝土框架结构中加固设计方法进行了研究[14].

4.2 国内发展现状

BRB在国内的研究刚刚开始.文献[15]结合我国的规范,研究了BRB力学性能的影响因素,对这种支撑在网架结构中承载力和稳定性进行了探讨.文献[16]对BRB构件的组成进行了理论研究,对单层单跨的钢框架、普通支撑框架和防屈曲钢框架进行了单向极限承载力和滞回性能的对比研究,研究了多层防屈曲支撑钢框架的动力性能等.文献[17]对“一”字矩形圆套管和双套管型BRB进行了有限元分析,确定这两种支撑的滞回关系和耗能性能,并讨论不同的支撑布置方式对框架结构抗震性能的影响.文献[18,19]对BRB在单层网壳和柱面网壳大跨钢结构中的减震效果进行了分析研究.文献[20]对BRB在钢筋混凝土框架中的设计方法进行了研究,并探讨了BRB布置方式对结构混凝土构件和结构塑性发展的影响.文献[21]对用低屈服点钢材(名义 fy=100 MPa)制成的BRB的恢复力特性进行了研究;2002年台湾大学蔡克铨教授提出了一种双钢管双 T型板的支撑,并且对装有该种支撑的1/2缩尺构架进行了试验[22].2005年蔡克铨等人对双核心全钢型屈曲约束支撑进行了研究,同时蔡克铨等人尝试开发可拆性BRB[23].文献[24]提出含屈曲约束支撑框架的设计与分析流程.

5 国内外应用情况

目前国内外建筑界对防屈曲支撑框架设计缺乏系统的理论分析和相关规范的指导,但很多工程已经开始使用了这种结构.日本已有250栋建筑、美国有50栋已建和在建的建筑使用了这种体系(主要在加州地区)[24].

5.1 国外部分应用实例

日本大阪国际会议中心大楼抗侧力系统选用了数百个此种支撑,最长的支撑长达22 m.高度为72 m的横浜伊势佐木町华盛顿旅馆中采用了平板钢防屈曲支撑体系.塔库马本部办公大楼高度为43 m,采用了H形钢防屈曲支撑体系.日本大阪的一座高层建筑物也采用了这种支撑作为其抗侧力体系的一部分.

美国盐湖城瓦雷斯.本内特联邦大楼抗震加固工程中采用了十字形BRB体系[12].

5.2 国内部分应用实例

自从1999年台湾集集地震以后,BRB的研究和应用开始在台湾大量开展,现在台湾已经成为使用BRB最广泛的地区之一.图5是BRB在台湾台北县政府大楼应用实例.

图5 台湾台北县政府大楼[16]

在大陆,BRB的应用比较少,盛威大厦是大陆第一栋采用BRB进行设计的高层建筑.北京通用国际时代广场是高103 m的钢结构建筑,考虑地处8度设防区,设计中采用了延性较好的框筒结构,偏心钢支撑及其首次使用的防屈曲支撑[25].

6 结论与展望

防屈曲支撑结构体系是一种非常有前景的新型结构体系.从目前国内外许多成功的试验研究与工程应用来看,防屈曲支撑不仅提高了结构的侧向刚度,而且具有优异的滞回特性及很好的抗低周疲劳性能,抑制了普通的支撑的压曲现象.另外防屈曲支撑为建筑结构的抗震设计和抗震加固与改造提供了一种新的选择.但目前这类支撑的技术大部分掌握在国外私人手中不予公开,而我国又是一个多地震国家,70%以上的大中城市位于抗震设防区.因此,加强实用新型的防屈曲支撑的研制与应用就显得格外迫切.为使防屈曲支撑在实际的工程中得到广泛应用,尚应对以下问题进一步研究.

①对现有防屈曲支撑进行改进,完善其功能,研究开发具有自主知识产权的符合我国国情的实用防屈曲支撑;制定防屈曲支撑各种性能指标要求.②制定出适用于我国抗震要求的防屈曲支撑结构体系的分析与设计方法,特别是BRB在结构中的布置方法,以满足广大设计人员的要求.③积极开展结构加固时防屈曲耗能支撑的安装、施工、检测、验收及维修等方面的研究,并尽快编制相关设计规范或规程,修订相关的技术标准和工法,以规范和促进防屈曲支撑在结构体系中的应用.④防屈曲支撑具有优良的消能减震性能,但其与主体结构的连接部分是这种新型体系在抗震中的薄弱环节.如何保证BRB的节点设计在地震中不发生破坏,是当前BRBF设计和施工中需要解决的重要课题之一.

[1] Xie Q.State of the art of buckling-restrained braces in Asia [J].Journal of Construction Steel Research,2005,61(6): 727-748.

[2] 郭彦林,刘建彬,蔡益燕,等.结构的耗能减震和防屈曲支撑[J].建筑结构,2005,35(8):18-23.

[3] Shuhaibar C,López W A,Sabelli R.Buckling-restrained braced frame: Proceeding ofATC-17-2,Seminaron Response Modification Technologies for Performance Based Seismic Design[C].ATC and MCEER,2002.

[4] Clark P,Aiken I,Kasai K,et al.Design procedures for buildings incorporating hysteretic damping devices: Proceeding of 69th Annual Convention of SEAOC[C]. Sacramento,CA:SEAOC,1999.

[5] 李俞谕,肖岩.屈曲约束支撑的研究现状及其应用[J].工业建筑,2007,37(s1):658-662.

[6] 汪家铭,中岛正爱.屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(Ⅰ)[J].陆烨,译.建筑钢结构进展,2005,7(1):1-12.

[7] WakabayashiM,NakamuraT,Katagihara A,etal. Experimental study on the elastoplastic behavior of braces enclosed by precast concrete panels under horizontal cyclic loading:Part 1&2[C]∥Summariesof Technical Papersof Annual Meeting of the Architectural Institute of Japan. Structural Engineering Section 10,Tokyo,Japan:1973.

[8] Fujimoto M,Wada A,Saeki E,et al.A study on the unbonded brace encased in buckling restraining concrete and steel tube[J].Journal of StructuralEngineering,1988 (034B):249-258.

[9] Iwata M,Kato T,Wada A.Buckling-restrained braces as hysteretic dampers[C].Quebec,Canada:STESSA,2000.

[10] NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New buildings and Other Structures.FEMA450[S].2003. [11] American Institute of Steel Construction.Seismic Provisions for Structural Steel Buildings[S].Chicago:AISC,2005.

[12] Brown A P,Aiken D I,Jafarzadeh F J.Buckling restrained braces provide the key to the seismic retrofit of the Wallace F.Bennet Federal Building[J].Modern Steel Construction, 2001(8):7.

[13] Ishii T,Fujisawa K,Shimizu T,et al.Seismic retrofitting for existing R/C buildings using buckling-restrained tube-intube energy dissipative braces[J].Jfe Technical Report, 2006(8):63-70.

[14] Bosco M,Ghersi A,Marino E M.A design method for the seismic upgrade ofexisting R.C.framesby buckling restrained braces[C].Beijing:14WCEE,2008:15.

[15] 哈敏强.普通和新型抑制屈曲支撑的力学性能及其应用研究[D].上海:同济大学土木工程学院,2004.

[16] 刘建彬.防屈曲支撑及防屈曲支撑钢框架设计理论研究[D].北京:清华大学土木水利学院,2005.

[17] 苏成江.约束屈曲支撑性能分析及在钢框架中的应用研究[D].兰州:兰州理工大学土木工程学院,2007.

[18] 陈祥勇.约束屈曲支撑在单层网壳结构中的减震效果分析[D].兰州:兰州理工大学土木工程学院,2006.

[19] 高森.约束屈曲支撑在单层柱面网壳结构中的减震效果分析[D].兰州:兰州理工大学土木工程学院,2007.

[20] 李涛.高烈度区新型钢筋混凝土框架抗震性能研究[D].兰州:兰州理工大学土木工程学院,2008:21.

[21] Chen C C,Chen S Y,Liaw J J.Application of low yield strength steel on controlled plastification ductile concentrically braced frames[J].Canadian Journal of Civil Engineering, 2001(28):823-836.

[22] Tsai K C,Lai J W.A study of buckling restrained seismic braced frame[J].Structural Engineering,Chinese Society of Structural Engineering,2002,17(2):3-32.

[23] 蔡克铨,黄彦智,翁崇兴.双管式挫屈束制(屈曲约束)支撑之耐震行为与应用[J].建筑钢结构进展,2005,7(3):1 -8.

[24] 蔡克铨,赖俊维.挫屈束制支撑之原理及应用[C]∥防灾减灾工程研究与进展:全国首届防震减灾工程学术研讨会论文集.北京:科学出版社,2005.

[25] 许秀珍,崔鸿超.北京通用国际时代广场1#楼防屈曲耗能支撑设计[C]∥第十届高层建筑抗震技术交流会论文集.广州:[出版者不详],2005.

Present Research and Application of Buckling-Restrained Brace

ZHU Jiang
(School of Architectural&Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110005,China)

The basic principles and the composition of BRB are introduced,as well as the present research and application.The strengths and weaknesses are analyzed.The future prospects of the application and further study are put forward.

buckling-restrained brace;seismic mitigation;application

TU 318

A

【责任编辑 李 艳】

1008-9225(2010)02-0035-04

2009-09-17

朱 江(1974-),男,湖南武岗人,沈阳大学讲师,大连理工大学博士研究生.