屈曲约束支撑框架体系(BRBF)的优势及其在工程中的应用

王祖权

摘 要:屈曲约束支撑框架体系(BRBF)是新近发明并逐渐得到应用的一种抗震框架体系。由于屈曲约束支撑(BRB)在受拉和受压时都可屈服而不屈曲,克服了普通支撑体系的缺点,具有较强的抗震性能。为了进一步使屈曲约束支撑框架体系得到推广和应用,本文初步分析了其优势及在工程中的应用,推进该体系在我国得到更深层次地研究与发展。

关键词:屈曲约束支撑框架体系优势应用承载力抗震能力

中图分类号:TU352 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0059-01

普通钢框架结构的中心支撑在强震中极有可能受压发生屈曲而退出工作,致使支撑屈曲后不能有效地耗散能量,严重降低了结构的抗震能力。为了有效消除普通钢架结构弊端、改善中心支撑的屈曲性能,提出了一种可以避免支撑屈曲新的钢结构体系,使得支撑在地震作用下不发生屈曲。鉴于该体系的巨大使用性能,美国、日本等国广泛使用,并表现出了良好的抗震性能,可是在我国应用范围则较小。为了推进BRBF在我国应用,有必要使大众了解其优势及应用,便于更多人将其应用于工程。

1屈曲约束支撑框架体系的优势

屈曲约束支撑,也叫防屈曲支撑、抑制支撑以及平稳支撑,通过运用钢材的轴向压力作用来消耗外界能量。与普通支撑相比,具有以下优势。

(1)具有较高的承载力。

由于地震的不确定性,许多建筑物需要进行防震加固处理,使其具有较强的承载能力。曲约束支撑框架体系中的屈曲约束支撑在钢芯外设置了外围约束套管,可以在受拉、受压时都发生屈服而不屈曲,有效消除传统中心支撑的屈曲问题,并使支撑具有了较高的承载力。因此,该体系在强震中具有较强、稳定的能量耗散能力,减少地震带来的破坏力。

(2)具有良好的延性和滞回性能。

通常情况下,屈曲约束支撑在弹性阶段工作时就如同普通支撑体系一样,可以为结构提供很大的抗侧刚度,能够有效抵抗小震及风载的作用;在弹塑性阶段工作时具有良好的延性和滞回性能,形成了强大的变形能力。由此可见,屈曲约束支撑就如同一个性能优良的耗能消散设备,可用于抵御强震的作用。

(3)有效保护主体结构。

屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力,在强震中可以起到“保险丝”的作用,保护主体结构在强震中不屈曲或不发生较为严重的损坏。与此同时,在地震过后便于更换损坏的支撑,具有良好的经济效益。

(4)有效减少相邻构件受力。

普通支撑体系受压屈曲,导致受拉和受压时承载力差异较大,而约束支撑框架体系则完全不具有这样的问题。因为,当约束支撑呈“人”、“V”型时,支撑受压产生的内力最大时才会等于受拉承载力,故不会形成较大的差异,并有效减少了相邻构件的受力。

2屈曲约束支撑框架体系在工程中的应用

鉴于屈曲约束支撑框架体系具有优良的抗震性能,其在建筑加固改造、建筑混凝土结构设计中广泛使用。下面以其在某建筑不规则混凝土结构设计为例,具体论述屈曲约束支撑体系的应用。

2.1 工程概况

某市拟建一座办公大楼,建筑总体面积达到31200平方米,地下室2层、地面楼高为9层,地上3层为大底盘、3层以上为上塔楼。鉴于该建设项目属于不规则混凝土结构,抗侧刚度要求极其高。

2.2 设计原则

基于该项建筑结构的不规则性,采用使用单纯的框架结构,整个钢架结构刚度和强度难以达到设计要求,并且不能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的层间位移角要求。所以,采用单纯的框架结构是不实际的。倘若采用在楼梯间等位置布置剪力墙,不对称地布墙会导致结构出现较为严重的扭转问题,尤其该建筑本身就需要一定的扭转问题。因此,此种方式也是不可取的。倘若使用普通钢支撑,是能够避免扭转问题的出现及提高整体结构的抗侧能力,可是在地震作用下就会受压出现屈曲。如果采用增大支撑面防止支撑出现屈曲问题,更会导致支撑在地震作用下受压更大,反而不利于形成较强的结构抗震性能。

为了保证建筑物具有足够强度和刚度,以及良好的抗震能力,可以采用屈曲约束支撑框架体系。在设计屈曲约束支撑框架前,需要设计人员研究与分析以下问题:如何控制楼层位移比率;如何提高连体部分的抗震能力;如何解决楼板大开洞问题。

2.3 工程设计

(1)控制楼层位移比率。

由于该拟建办公大楼3层以上为双塔楼,两塔楼刚性差异较大,且相互之间不对称情况导致楼体中心不稳与刚心不相吻合,形成了较大的楼层位移比率。为了有效控制楼层位移比率,在结构设计时两塔楼应采用不同的柱截面,并适当地设置钢支撑以增强框架的刚度,避免刚度和重心存在较大的偏心率。另外,加上本建筑物采用的混凝土结构是屈曲约束支撑框架体系,能够保证办公楼在地震作用下完全屈曲能量,使建筑整体具有较强的抗侧刚度和优良的延性。

(2)提高连体部分的抗震能力。

为了提高两塔楼连体部分的抗震能力,使该部分具有良好的结构延性,部分衍架应当采用钢结构形式,与之相连的则使用混凝土结构。由于连接部位属于薄弱部位,抗震级别应当高出其他部位一级或几级,相应地提高了框架轴压的要求,应当采用型钢的混凝土柱,能够提高其延性。并且,在竖向强外力作用下,连接部位的部分钢结构关键构件强度与稳定构件应力应分别小于0.85和0.9。另一方面,倘若遇到中型地震,必须保证连接部位衍架具有一定的强度,具体措施就是提高部分楼板厚度、采用双层双向配筋,并提高配筋率,防止变形和楼板拉力增大等问题。

(3)解决楼板大开洞问题。

在该工程项目中,楼板大开洞位置在边框框架处。由于该框架边柱是跃层柱,相对而言需要进一步增强柱的抗侧能力和延性,这就需要利用加大柱截面及增加柱内配筋的方法达到这一目的。

(4)节点连接。

良好的节点连接是混凝土结构强度和刚度的基本保证,因此,屈曲约束支撑与梁柱之间的节点连接尤为重要。通常情况下,屈曲约束支撑框架体系中经常采用高强度螺栓连接节点。当然,连接板长度和螺栓数量并不是随意决定的,设计人员通过精确计算方能确定。

3结语

与普通支撑框架相比,屈曲约束支撑框架具有承载力高、延性和滞回性能良好、保护主体结构、减少相邻构件受力及抗震能力强等优势,有效消除了传统支撑受压屈曲的弊端,具有了较高的刚度和强度性能。鉴于该结构体系的有巨大优势,应当在地震易发生地带多多采用该种框架结构,能够有效减少地震带来的人员伤亡及经济损失。因此,国内应当加大对屈曲约束支撑框架体系研究及推广力度,使其在全国各地区得到广泛应用,为人们的生命财产安全提供有力保障。

参考文献

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