防屈曲支撑在某厂房结构加固改造中的应用

孙红虎， 吴 爽， 张立成， 胡日清

(1. 陕西建工集团总公司建筑设计院， 陕西 西安 710054；2.北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050； 3. 湖北建科国际工程有限公司， 湖北 武汉 430070)

防屈曲支撑在某厂房结构加固改造中的应用

孙红虎1， 吴 爽2， 张立成2， 胡日清3

(1. 陕西建工集团总公司建筑设计院， 陕西 西安 710054；2.北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050； 3. 湖北建科国际工程有限公司， 湖北 武汉 430070)

防屈曲支撑(BRB)作为一种金属屈服耗能支撑构件，克服了普通支撑受压屈曲的缺点，在地震中具有良好的耗能能力和延性。为了研究防屈曲支撑在加固改造结构中的耗能减震效果，本文采用MIDAS/GEN对设置防屈曲支撑的某厂房加固改造结构进行了结构分析和结果对比。结果表明:设置防屈曲支撑以后，结构的抗震性能显著提高，本研究为防屈曲支撑在加固改造结构中的应用提供了成功的工程案例，其设计思路可以为加固改造结构的减震提供有益的借鉴和参考。

加固改造； 防屈曲支撑(BRB)； 耗能减震； 结构分析； 抗震性能评价

随着城市快速发展，我国早期建设的一些纱厂、纺织厂由于生产力低下，技术落后等原因遭到了市场的淘汰，存在大量工业厂房闲置、占用城市资源的现象。目前，有不少城市利用这些废弃厂房，进行加固改造[1，2]，建设了一批具有特色的逐渐发展成为画廊、艺术中心、旅游、购物等各种功能聚合的建筑，实现了当代艺术、建筑空间、文化产业与历史文脉及城市生活环境的有机结合。比如北京798艺术工厂、云南创意仓库和重庆501基地。

本文以西安某纱场为工程背景，利用消能减震技术将纱场厂房进行加固改造成为商业建筑，消能减震技术近些年迅速发展，与传统的抗震设计概念相比，消能减震技术[3，4]原理为在结构的关键部位设置耗能元件以达到吸收地震力，增加结构阻尼从而减小主体结构在地震作用下受到的冲击。近几年，这项新技术得到了众多学者和设计师的青睐。

1 工程概况

本工程位于西安市太华南路，原结构用作纱场厂房，改造后建筑功能成为商业建筑。本文所涉及的结构为图1所示纱场的N1楼，改造后的结构采用混凝土框架结构和轻钢结构，整体设地上二层，局部三层，结构在一、二层之间有一个层高2 m的夹层，二层以上采用轻钢结构。总建筑面积17040 m2，建筑高度24.80 m，如图2所示。

图1 N1楼区位示意

图2 厂房改造后MIDAS/GEN模型

本工程改造后使用年限为30年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震第一组，建筑场地类别为II类，场地特征周期为0.35 s，结构阻尼比为5%。

2 结构改造方案

2.1 传统加固改造设计

对于钢筋混凝土结构或者钢结构，常规加固方案一般采用加大柱截面或增设剪力墙等方法提高结构抗震能力。这种方法在很多情况下是有效的，但也存在以下问题：(1)结构主要构件截面过大、配筋过多，材料花费较多，工程造价大幅度提高，而且使得建筑使用功能受到限制；(2)结构构件截面、配筋增大后，结构刚度将大幅度增加，结构在地震中吸收的地震能量也将大幅度增加；(3)地震能量将主要由结构构件的弹塑性变形来耗散，导致结构在大震中损坏严重，结构损伤模式仍然难以控制，对结构的安全不利；(4)加固施工复杂，抗震构造措施有时难以满足要求；(5)拆除量大，现场湿作业量大，工期较长。

2.2 消能减震设计方案

地震发生时结构物吸收了大量的地震能量，必然要进行能量转换或消耗才能最后终止振动反应。结构消能减震体系，就是把结构物的某些非承重构件设计成消能构件，或在结构的某些部位装设消能装置[5]。在风或小地震时，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当发生中、强地震时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，提供较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构及构件在强震中免遭严重破坏，确保结构安全。采用消能减震方案，不仅保证结构在地震作用下获得更高可靠度，而且与传统方案相比还具有以下优点：(1)湿作业工作量少，施工时间短，节约施工成本，对原结构影响小；(2)消能器占用空间少，布置灵活，对建筑的使用功能限制少，日后可根据需要改变布置位置；(3)消能器的安装对施工进度影响较小，根据工程的具体情况，消能器可选择先装、后装，或与主体结构施工同时进行。(4)仅需对个别竖向构件进行加固，无需增设抗震墙，减少加固工程量。(5)在地震作用下，结构加速度及速度响应较常规结构小，可提高建筑的舒适度，保护内部设备。(6)采用消能减震技术可以通过提高建筑物的抗震性能来提升房屋的性能。

根据本工程特点，原结构设计年代较久，在新版规范下计算，层间位移角超限，梁柱超筋，如果采用传统加固方式，加固量较大，同时无法控制层间位移角。采用传统抗震设计方案，不论从结构的抗震性能还是经济性都会差于消能减震方案。但同时本工程由于建筑功能的改变，不可避免的需要改变结构形式，增设结构构件。因此，本工程采用在一定的传统加固改造基础上，合理的增设消能减震构件，起到有效减小工程加固量，改善结构性能，节约成本的效果。

3 消能减震设计

3.1 消能阻尼器选择

目前，市面上普遍使用两种类型的阻尼器：位移型阻尼器和速度型阻尼器，二者的区别主要是位移型阻尼器可以为结构同时提供刚度和阻尼，而速度型阻尼器仅为结构提供阻尼力。本工程由于结构较柔，层间位移较大，采用位移型阻尼器较为合理，本工程采用屈曲约束支撑作为消能减震元件进行减震设计。

3.2 防屈曲支撑

防屈曲支撑(Buckling Restrained Brace，简称BRB)是一种新型耗能支撑[6]，属于位移型消能器，其具有良好的稳定性能，在受拉和受压时均能达到屈服并产生较大的塑性变形，具有饱满的滞回曲线，见图3。

图3 BRB典型滞回曲线

构造上防屈曲支撑分为三部分：内核单元、约束单元和无黏结层，构造如图4。

防屈曲支撑工作原理为核心单元是防屈曲支撑的主要受力元件，外围约束构件为核心元件提供足够的约束，防止其受力发生整体失稳或者局部失稳，通过核心元件屈服后的塑性变形消耗能量，与普通钢支撑受压易屈曲相比，防屈曲支撑有着明显的优越性。在结构中加入防屈曲支撑，可以有效的增加结构侧向刚度，减小地震反应，增加建筑物的抗震能力，并且实现基于性态的抗震设计[7]。BRB长期使用功能及维护费用都具有很强的优越性，是目前实际工程中应用最为广泛的消能器之一[8～ 11]。

图4 BRB构造

3.3 阻尼器布置

本工程通过在结构外围设置BRB，BRB在地震作用下屈服，吸收耗散地震能量，使主体结构吸收地震能量减小，同时为结构提供一定的刚度,抑制结构扭转[12]。

在结构1、2层共设置16根BRB，单斜杆式放置，图5为现场吊装BRB。性能参数如表1，各层BRB布置方案如图6、表2所示。

图5 防屈曲支撑现场吊装过程

图6 防屈曲支撑布置

长度/mm屈服荷载/kN极限荷载/kN数量/根630080012006660080012006680080012002710080012002

表2 各层BRB布置数量 根

4 设置防屈曲支撑的结构分析

采用MIDAS公司开发的MIDAS/GEN有限元软件对结构进行分析。

4.1 周期振型

未设置BRB及设置BRB在各模态下的结构周期计算结果如表3。

表3 结构周期对比 s

根据模态分析的结果,三种结构的前三阶振型都分别为X向平动、Y向平动及扭转。从表3可见,未设置防屈曲支撑的结构周期明显长于防屈曲耗能支撑结构,这是由于防屈曲支撑在小震下为结构提供了刚度引起的。

4.2 反应谱分析

采用振型反应谱法考察了框架结构体系、防屈曲耗能支撑框架结构体系在地震作用下的弹性性能。

进行小震下的反应谱弹性计算，得到结构的位移比结果对比如表4，位移比是指楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值。可以知道原结构扭转比1.28超过规范要求的1.20限值，结构加入BRB有效改善了结构的扭转效应，扭转比满足规范要求。

表4 结构位移比最大值对比

同时，BRB还为结构提供了一定的侧向刚度，原结构层间位移角小于1/550,不满足规范要求，加入BRB后结构位移角较未加BRB的结构均有显著减小，如表5、图7。设置BRB后，结构各楼层层间位移角均满足规范的要求并有足够富余，层间位移角最多减小了28.83%。

表5 结构层间位移角最大值对比

图7 层间位移角对比

4.3 弹性时程分析

采用MIDAS公司开发的MIDAS/GEN有限元软件对消能减震方案进行了时程分析。

时程分析主要针对结构多遇地震下结构的响应情况进行分析。根据规范要求时程分析选取了3组地震波，包括2组天然波和1组人工波，如图8～10所示。加速度峰值调至70 gal。不同地震波下位移值及结构层间位移角计算结果见图11、表6。

图8 Taft波

图9 00074波

图10 人工波

通过弹性时程分析，从图11可以看出在小震作用下，设置BRB后层位移明显减小。从表6也可以得出，原结构在弹性时程分析中层间位移角难以满足现有规范要求，加入防屈曲支撑后，最大层间位移角减小，结构性能得到加强。

图11 不同地震波下位移值对比

楼层地震波未设置BRB设置BRB2Taft波1/3991/70300074波1/4351/601人工波1/5861/756夹层Taft波—1/69200074波1/5441/598人工波1/7181/7561Taft波1/3691/64200074波1/4321/552人工波1/5881/696

4.4 静力弹塑性分析(Pushover分析)

对本工程进行静力弹塑性分析(Pushover分析)，以评估此建筑主体结构在罕遇地震作用下的抗震性能。采用我国建筑抗震设计规范定义的地震影响系数曲线，得到在罕遇地震条件下的需求谱。抗震规范提供的加速度谱为弹性谱，需利用等效阻尼折减为适用于大震作用下的弹塑性需求谱。图12为罕遇地震下能力谱法分析结果(图中蓝色曲线为能力谱，红色曲线为通过迭代求出的与能力谱真实相交的8度罕遇地震需求谱，蓝色的需求谱和红色的能力谱相交于一点，即罕遇地震性能控制点)。罕遇地震下性能点及静力推覆分析下BRB受力见表7、图13。

图12 静力推覆能力与需求曲线

结构性能点V/kND/m未设置BRB16324.220.28设置BRB18157.380.18

注：表中V为结构基底剪力；D为结构顶点位移。

图13 静力推覆分析下BRB受力

由表7可知，阻尼器结构在罕遇地震作用下，对应性能点的最大层间角位移为1/58，小于规范规定的1/50的弹塑性层间位移角限值。而未设置阻尼器的结构最大层间位移角为1/47，不满足规范要求。由图13可知，BRB在地震作用下受力达到屈服荷载后屈曲耗能，起到保护主体结构，提高抗震性能的作用。

5 结论

为达到改变使用功能以及满足我国现行相关规范要求的目的，本文利用防屈曲支撑对一栋老旧工业厂房进行加固改造，通过本文的研究分析，可以得到结论；

(1)原结构体系经过受力性能分析得出抗震性能不足，结构位移比以及层间位移角均超过我国现有规范的限值要求，原结构在地震作用中可能遭受严重的破坏，需要采取措施限制。

(2)采用消能减震技术进行加固改造，在结构中布置防屈曲支撑，利用防屈曲支撑调节了结构平面及竖向刚度，降低了结构扭转效应，结构层间位移角显著减小。

(3)对原结构以及采用消能减震技术后的两种结构进行弹塑性对比分析表明：结构进入塑性后，罕遇地震下设置防屈曲支撑的结构控制点层间位移较原结构减小了35%，防屈曲支撑性能良好，能够较早进入屈服耗能阶段，有效的耗散了地震能量。

(4)随着时代的发展，越来越多的老旧建筑需要进行加固改造，采用消能减震设计可以有效提高结构性能。本文利用防屈曲支撑对老旧厂房的结构体系进行创新，为改善加固改造结构的抗震性能提供了一种新的思路。

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Application of Buckling Restrained Brace in the Structure of a Factory

SUNHong-hu1,WUShuang2,ZHANGLi-cheng2,HURi-qing3

(1.Shanxi Jiangong Group Corp Building Design Institute， Xi’an 710054， China； 2.Beijing Yishexu Technology Co Ltd，Beijing 100050， China； 3. Hubei Jianke International Engineering Co Ltd， Wuhan 430070， China)

As a kind of energy dissipation brace members by the yielding of mental,Buckling Restrained Brace (BRB) can overcome shortcomings of the common braces’ compression buckling,which has good energy dissipation capacity and ductility under earthquake. In order to study the BRB effect in the reinforcement and reconstruction structure,the MIDAS/GEN is adopted to make a structural analysis and comparison of the results of the reinforced structure of a factory building with buckling restrained brace. The results show the structural seismic performance has been improved significantly, a successful engineering case is provided for the application of BRB in the damping design of Reinforcement and reconstruction structure. The design ideas can provide useful reference and reference for the vibration reduction of the reinforced structure.

reinforcement and reconstruction; buckling restrained brace(BRB); seismic energy dissipation; structure analysis; seismic performance evaluation

2016-02-23

2016-05-19

孙红虎(1975-)，男，陕西西安人，高级工程师，硕士，研究方向为工程抗震(Email:HongHuSun@126.com)

TU746.3; TU375.4

A

2095-0985(2016)06-0033-06