带屈曲约束支撑的混凝土框架结构设计

王建华，于岩磊

(中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018)

0 引言

目前，我国抗震规范规定的结构抗震设防三个水准目标：“小震不坏、中震可修、大震不倒”，是在1976 年唐山地震后提出并在89 抗震规范予以明确的规定，也是确保结构安全最基本的抗震性能化设计目标。从以往震害来看，地震过后，主体结构虽然没有发生严重破坏，但室内一些贵重设备仪器却遭到破坏，同样造成了很大的经济损失。例如大型医院的医技楼等建筑，地震发生时要求其使用功能不能间断，此时，按上述基本设防水准目标将无法满足该类建筑更高层次的抗震性能需求。尤其对于高抗震设防烈度区的框架结构，如何提高其抗震性能，同时又不会大幅增加工程造价，是一个工程界亟待解决的问题。

屈曲约束支撑作为一种抗震耗能构件[1]，在日本、美国等国家应用已较为普遍[2]。多遇地震作用下，其处于弹性工作状态，与普通支撑相似为结构提供抗侧刚度；罕遇地震作用下，进入塑性工作状态，通过支撑芯材轴向伸缩变形来耗散地震输入能量，起到一定的“保险丝”作用。不仅可以保护主体结构在罕遇地震作用下不受或少受损坏，同时也增大了结构阻尼，有效减少结构位移，实现“小震经济、中震不坏、大震易修、余震不倒”抗震设防目标[3]。以往屈曲约束支撑在已有工程中多应用于钢结构中，在新建混凝土结构中应用实例较少。本文通过某实际工程，介绍了屈曲约束支撑在混凝土框架结构中诸多设计注意事项，可为今后相似工程的设计提供参考。

1 工程概况

根据文献[4]，医技楼属乙类建筑，该建筑位于八度抗震设防区，若采用框架混凝土结构，其抗震设防等级需提至一级[5]。按文献[5]要求，通过试算发现柱子截面尺寸需要0.8～1 m 左右，不经济也不合理。同时，A1 区内建筑设有56.7 m×32.4 m 通高大空间要求，已经远超过规范允许的剪力墙最小间距要求，因此框架剪力墙方案也行不通。同时，考虑到医技楼各楼层使用功能的复杂多变性，即便采用框架剪力墙方案，剪力墙在竖向方向很难保证其连续性。相对于框架剪力墙结构中剪力墙布置的诸多限制，同样能有效提供抗侧刚度的钢支撑，在布置位置的选择上可灵活多变，且屈曲约束支撑抗震耗能性能优越。因此，结构型式最终选用带屈曲约束支撑的混凝土框架结构。

按照功能类型不同，屈曲约束支撑分为耗能型、承载型和阻尼器3 种类型。当屈曲约束支撑既要用于提高结构抗侧刚度及承载力，又要用作结构的耗能构件，应选用耗能型屈曲约束支撑。当支撑仅用于提高结构的刚度及承载力，则可选用承载型屈曲约束支撑。屈曲约束支撑型阻尼器的设计方法同位移型阻尼器。

图1 某医院医技住院综合楼平面分区图

本工程支撑型式采用耗能型屈曲约束支撑。耗能型屈曲约束支撑，在小震下处于弹性工作状态，为结构提供整体刚度，在大震下屈曲，处于弹塑性工作状态，吸收地震输入能量，对结构安全起到保险丝的作用。耗能型支撑钢芯材材料伸长率≥30%，承载型支撑钢芯材材料伸长率≥20%(这也是文献[5]要求的钢材最小伸长率)，阻尼器型支撑钢芯材材料伸长率为≥40%。带屈曲约束支撑的框架结构的整体设计思路是：通过限定底层柱子截面，建模试算后，若弹性位移角、周期比、刚度比等指标不满足规范要求，可加设一定数量的屈曲约束支撑，反复调试，直至层间位移角等各项指标满足相应规范要求。

2 屈曲约束支撑设计方法

2.1 布置原则

屈曲约束支撑应布置在能最大限度地发挥其耗能作用的部位，同时又要兼顾建筑功能的使用要求，并满足结构整体受力的需要。屈曲约束支撑布置原则如下：

1)地震作用下结构会产生较大支撑内力的部位。

2)地震作用下层间位移较大的楼层。

3)宜沿结构两个主轴方向分别设置。

3.金融市场竞争力不足，导致弱化了金融服务的功能性。当前，城乡经济金融市场是一种以农村信用社为主，农业银行、农村商业银行、农村合作银行、村镇银行以及小额贷款公司等并存的格局。因为农村信用社长期处于垄断的“老大”地位，造成我国农村金融市场很难建立具有竞争性的金融市场，所以金融产品非多元化，金融服务种类过于单一，大部分情况下仍然只能提供的是传统的存贷业务，导致农村金融服务的整体效率不高。

可采用的支撑方式有：单斜撑、人字形或V 形支撑，优先选用人字形，其次是V 形，再次是单斜撑。采用单斜撑时，宜对称布置。不应采用K 形或X 形，支撑与柱的夹角宜在35°～55°之间。

以A1 区为例，本工程屈曲约束支撑的布置见图2、图3 所示。

图2 A1 区支撑平面布置图(图中位置处为支撑)

图3 ①轴支撑立面布置图

2.2 计算方法

以SATWE 为例，定义屈曲约束支撑的方法与定义普通钢支撑方法类似。首先初步拟定钢支撑芯材的等效截面面积，在斜杆布置中，选用正方形截面型式，按等效截面面积折算参数输入，如图4 所示，将斜杆布置于相应位置处。定义完成后，进入SATWE 前处理中选择“2. 特殊构件补充”，检查屈曲约束支撑两端节点是否为铰接，如不是，需将支撑两端定义为铰接。之后，进入SATWE 前处理的“生成SATWE 数据文件及数据检查”项，检查完毕后进行结构内力、配筋计算，计算完毕后查看结构总体指标、结构构件承载力是否满足要求。

图4 端部支撑布置竖向示意图

查看计算结果时，屈曲约束支撑的长细比会出现不满足要求的状况[6]，由于屈曲约束支撑构件本身满足稳定性的要求，进行整体结构的计算时无需考虑其自身稳定问题，仅查看支撑构件强度是否满足承载力要求。

2.3 带屈曲约束支撑的框架结构设计要点

1)调试支撑截面大小及数量：根据支撑成品的外观尺寸，在不影响建筑室内空间和使用功能要求前提下，初步确定芯材截面的等效截面面积，在Pm 里采用斜杆单元定义钢支撑构件，在平面相应位置布置一定数量的支撑，进行结构试算，如果层间位移角、周期比、刚度比等指标不满足规范要求，可采取改变支撑等效截面面积、增加支撑数量、改变支撑布置形式或改变平面布置位置等措施进行优化设计，直至各项指标满足规范要求。

2)整体结构进行多遇地震计算时，结构的阻尼比取值不应大于0.045，或按混凝土框架部分和钢支撑部分在结构总变形能所占的比例折算为等效阻尼比[3]。

3)多遇地震作用计算时，结构弹性层间位移角宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用计算时，结构弹塑性层间位移角控制在1/80 左右。需要注意的是，在进行罕遇地震作用下的弹塑性计算时，结构阻尼比应取0.05[3]。

4)支撑节点处框架梁梁宽不宜小于350 mm，以方便安装节点板，且上下层的平面位置宜确保支撑中心线在一个竖向平面内。当上下层支撑中心线无法保证在一个竖向平面内时，中心线的间距不应大于柱宽的1/4。

5)当门窗不能放置于支撑与梁、柱间的间隙时，支撑与门窗要注意避让，使之与门窗不在一个竖向平面内，该层上下梁宽需加大或偏移布置。当支撑斜杆轴线偏离混凝土柱轴线超过柱宽1/4 时，柱计算时应考虑支撑引起的附加弯矩影响。

6)支撑可嵌入填充墙内，但墙内的构造柱、圈梁等混凝土非主体受力构件的钢筋不应直接焊于支撑外层的钢套管上，可用钢构件做过度连接，同时支撑与墙体间设一定厚度的水泥砂浆保护层。

7)支撑布置于楼梯间时，支撑与梯柱、梯梁应避开，方法有：①将人字支撑改成V 形撑或单斜撑，同时调整梯柱、梯梁位置，使之与支撑错开；②加大梁宽，使支撑和梯柱、梯梁布置在两个竖向平面内。

8)布置V 形或人字支撑时，STAWE 计算时将支撑交汇节点作为框架梁的支座，此时，该跨框架梁配筋宜按一跨框架梁做包络设计。同时，梁顶纵筋宜全跨拉通，箍筋宜全跨加密，腰筋宜加强。

9)在楼梯间无板梁处布置屈曲约束支撑时，梁侧向宜设置构件加强其面外约束，当无法设置侧向约束构件时，该处框架梁宜按水平梁考虑并加强面外构造措施。

10)罕遇地震作用下，设计中应采取有效措施保证钢支撑先于框架梁、柱屈服。复核支撑处柱的斜截面抗剪承载力不能小于支撑最大屈曲承载力的水平向分力，措施是加强支撑处梁柱节点核心区箍筋的钢筋等级、肢数和直径等。

3 对比分析

以A1 区为例，拟定纯框架结构的底层柱子截面为650 mm×650 mm，建模试算后，弹性位移角不满足规范要求，经调试，加设125 根耗能型屈曲约束支撑后，进行多遇地震作用计算，结构的刚度、弹性位移角及周期的变化，见表1。

表1 加设屈曲约束支撑前后结构相关参数对比

由表1 对比结果可见，屈曲约束支撑明显改善了框架结构的抗震性能。结构水平抗侧刚度增大了86%，结构弹性层间位移角大幅降低，由不满足规范要求的1/474，减少到1/686。此时，在多遇地震下，屈曲约束支撑处于弹性工作状态，为结构提供抗侧刚度。同时，屈曲约束支撑的加入，使得结构第一阶阵型的平动系数由原结构的0.66 增大至1.00。可见，结构的整体振动形态得到明显改善，有效降低了扭转变形对结构的抗震性能的不利影响。

4 结论

通过某实际工程，介绍了耗能型屈曲约束支撑在混凝土框架结构设计中的应用，得到如下结论：

1)加设屈曲约束支撑后，框架结构的整体抗侧刚度增大，弹性层间位移角及弹塑性层间位移角限值比框架结构宜适当提高。

2)屈曲约束支撑可降低超长结构扭转变形对结构抗震性能的不利影响，改善混凝土纯框架结构的抗震性能，具有较好的社会和经济效益。

3)对于建筑平面布置要求比较高，限定柱截面，无法满足框架剪力墙结构布置的结构，加设屈曲约束支撑是一个解决问题的途径。

[1]DBJ/CT 105—2011,TJ 屈曲约束支撑应用技术规程[S].

[2]李国强,郭小康,孙飞飞等.屈曲约束支撑混凝土锚固节点力学性能试验研究[J].建筑结构学报,2012,3(3)：89-95.

[3]TJ 型屈曲约束支撑设计手册(第三版).

[4]GB50223—2008,建筑抗震设防分类标准[S].

[5]GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[6]GB50017—2003,钢结构设计规范[S].