屈曲约束支撑(BRB)在中小学校舍抗震加固工程应用

刘 静

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

屈曲约束支撑(BRB)在中小学校舍抗震加固工程应用

刘 静

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

带有悬挑的单跨框架结构是中小学校舍的主要结构形式，这类结构震害严重，通常采用屈曲约束支撑(BRB)进行抗震加固。以采用BRB加固的一栋实际中学教学楼为例，详细介绍了BRB在结构加固中的设计及施工方法，同时将BRB加固方法与传统加固方法的工程造价和施工工期进行了分析和对比，研究结果表明：在原单跨框架结构上设置BRB可以显著提高结构的抗震性能；BRB造价略高，但相应减少了结构的加固工程量，降低工程总造价，且施工工期满足要求。

单跨框架；抗震加固；屈曲约束支撑；抗震性能；施工工期

0 引言

地震作为危害人类社会的自然灾害之首，爆发时释放的巨大能量对房屋建筑产生了严重的威胁，常常引起人员伤亡，造成重大的经济损失。我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是受地震危害影响较大的国家。自20世纪以来，我国境内发生的六级以上地震累计数百余次，因此大力研究并推广消能减震技术对我国来说具有重大的现实意义。混凝土框架是目前我国最常应用的一种结构形式。纯框架结构特别是单跨框架由于抗侧刚度较低，在罕遇地震作用下，容易产生较大的侧移甚至引起倒塌。

1 工程背景

2008年，我国四川汶川大地震后，在全国中小学校中开展了抗震加固工程，以提高建筑物综合防灾能力建设，使学校校舍的抗震设防标准达到重点设防类。又由于中小学校舍的教学功能需要，抗震加固的施工时间只有寒暑假两个假期，因此需要一种施工周期短又可以达到较好抗震效果的加固方法。目前国内存在大量单跨多层外悬挑式的教学楼，根据文献[1-4]分析可知，单跨多层外悬挑式钢筋混凝土框架结构横向只有一跨，为单榀框架结构，结构的冗余度低，一旦柱子发生破坏，框架整体的抗震承载力及变形能力均发生较大的下降，同时结构的最终破坏形态亦非完全的强柱弱梁型破坏，因此有必要对其进行针对性的抗震加固。

纯框架结构特别是单跨框架通过增加钢支撑或钢筋混凝土支撑这两种传统支撑可以提高框架结构的抗侧刚度和整体稳定性，但是因使用不便而较少采用。屈曲约束支撑(Buckling-restrained brace，简称BRB)的出现解决了上述两种传统支撑的问题。将屈曲约束支撑引入混凝土框架结构形成框架-支撑体系，一方面可提高结构的抗侧刚度，避免出现普通钢支撑在地震反复荷载作用下易失稳的问题；另一方面，支撑通过反复的拉压变形可以实现能量耗散，提高结构的延性，被誉为结构中的“保险丝”。已有研究表明[1-4]，将屈曲支撑应用于中小学校舍抗震加固中不仅可以为框架提供抗侧刚度，提高抗震承载力，而且具有施工工期短，对原建筑损伤小，适合只有短期作业要求的中小学教学楼抗震加固。

BRB是由低屈服点钢材芯板、套筒以及芯板与套筒间的无粘结材料构成，如图1所示。

图1 BRB构成示意图

常见的芯材截面形式依据不同的刚度需求及连接方式的需要，分为十字形、T形、双T形和一字形等。外侧套筒在内部芯材发生屈曲时提供约束机制，以防止芯材受轴压时，杆件发生整体屈曲。套筒与芯板间的无粘结材料在外部套筒与芯材间提供滑动的界面，减少芯材因受压屈曲后与外部套筒间的摩擦力，使得支撑在承受压力和拉力时，杆件只产生屈服而不会产生屈曲。这种特殊构造在受拉和受压两种状态下都能达到屈服，形成饱满的荷载-位移滞回曲线，可为框架结构提供很大的抗侧刚度并提高框架的抗震承载力。典型的BRB的力-位移滞回曲线如图2所示。

福建福州某中学教学楼根据我国旧版抗震规范设计，于2004年竣工投入使用至今。该教学楼层数为7层，建筑物总高为22．65m，建筑面积约3 210m2，图中横向65．4m为X向，纵向为Y向，该建筑的结构形式为单跨单悬挑框架结构体系，建筑平面布置如图3所示。该建筑地处抗震设防烈度7度区(0.10g)，原设计设防类别为标准设防类，框架抗震等级为三级，基础形式为预应力管桩基础。

图3 建筑平面布置图

根据2015年福建建筑工程检测中心有限公司对原结构进行的《福州某中学教学楼建筑物抗震鉴定》结论，该工程存在如下问题：

(1)建筑为单跨单悬挑框架结构，不满足抗震规范中对中小学教学楼的结构体系要求。

(2)该建筑部分一层框架柱抗震承载力不满足要求。

(3)该建筑在多遇地震作用下的弹性层间位移角超过规范限值1/550的要求[5]，应采取可靠措施对结构刚度进行加强。

2 抗震加固方案的确定

该教学楼为单跨单悬挑框架结构，这类结构体系结构在地震作用下尤其是大震下容易产生倾斜或倒塌。因此，根据我国的《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)[6]及《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023-2009)[7]中相关规定，中小学教学楼结构体系不应采用单跨框架结构。在对此类结构进行抗震加固时，为了提高在大震下结构的抗倒塌能力传统通常采用以下两种方法进行加固。

方案一：在悬挑走廊外侧增设混凝土柱，使原来的“单跨单悬挑框架结构”变为“两跨框架结构”。该方法虽然提高了整体结构的刚度，但加固量大，不仅需进行新增柱及其柱基础等，而且由于结构刚度的重新分配，使得框架梁等水平构件的加固量也相应增加，原有建筑外观也发生较大改变，还需要政府规划部门沟通协商。而且中小学教学楼在进行抗震加固时，并无外立面改造及功能改变的需要，因此这种加固方法增加了改造工程量。

方案二：在单跨框架柱间设置普通钢或混凝土支撑，该方法在小震情况下，可以起到较大的作用，而在中震和强震时，普通支撑会受压和受拉屈曲，无法为框架提供抗侧刚度，有效降低大震下的位移比，也无法提高其他纵向构件的抗震承载力，因此同方案一相比加固改造工程量差别不大。

该建筑物的用途是中学教学使用，能够进行大面积施工的最长时间仅为暑期的2个月，也就是说改造加固周期不能超过60d，现场又受到教学场地限制，无法进行基础开挖。同时，由于建筑物处于市区重要地段，不能改变建筑物的外观。综合考虑各种因素，以上2种方法均无法满足该建筑对施工工期的要求。通过比较，最终确定采用在单跨框架柱间设置BRB的方式来对该建筑物进行抗震加固。主要要解决的问题是使其满足抗震规范对单跨单悬挑结构的层间位移比要求。

上述建筑物抗震鉴定结论和抗震加固方案的选择，综合考虑采用BRB抗震加固，本文详细介绍采用BRB结合柱外包钢加固的加固方法，并将该加固方法与传统截面加大加固方法在造价、工期对比分析，阐述约束屈曲支撑在中小学抗震加固中的优越性。

3 屈曲约束支撑设计

图4 BRB平面布置图

BRB体系的设计原理与普通支撑框架体系的设计原理基本相同。在工程计算分析中，采用等截面的杆单元模拟BRB。本加固工程中采用方钢80×80的矩形方钢管模拟BRB，BRB斜撑布置平面如图4所示；竖向设置支撑时，采用一字形斜杆布置，考虑到施工造价的因素，针对性地对薄弱层及位移较大的节点进行设置，如图5所示。

图5 BRB竖向布置图

首先，根据目前GB50011-2010《建筑抗震设计规范》，本文简称(10版抗规)[5]，对设置BRB的结构分别进行多遇地震及罕遇地震条件下的结构两阶段验算，该工程主要采用中国建筑科学研究院开发的且在国内广泛成熟应用的PKPM系列软件进行该项工作。PKPM结构参数设置如图6所示，通过计算，对比了有无采用BRB的结构模型在小震及大震条件下的位移比指标，结果如表1～表2所示。

图6 PKPM参数设置

层间位移设置BRB前设置BRB后X向地震作用1/5471/615Y向地震作用1/4421/649

表2 设置BRB前后层间位移结果对比(大震条件)

图7 屈曲约束构件与原有梁柱连接节点

根据两个阶段地震状态下的对比可知，设置BRB可以有效地提高结构层间位移角，为单跨建筑提供可靠的第2道防线，提高其在大震状态下的抗倒塌能力[8-10]。计算完成后，依据计算得到每根支撑的等效截面面积、拟采用芯板钢材等级以及支撑实际长度，查阅相关屈曲约束支撑设计手册，选取对应的屈曲支撑型号。该工程选用BRB-xIxC-50-5900型号的BRB构件，即约束屈曲支撑构件承载力为50T，构件长度为5 900mm，芯材截面形式为十字形[8]。

在屈曲支撑作为支撑的构件其端部与梁柱的连接内力时，除了应保证节点能充分传递支撑杆件的内力，同时尚应留有一定的富余量[8-10]。

通常屈曲支撑通过节点板与原有混凝土梁柱连接。该工程中利用屈曲约束支撑中的十字形节点板与原有梁柱节点的外部包钢套筒进行栓焊连接，为了保证节点能充分传递支撑杆件的内力，屈曲支撑杆件的中线与梁柱中心线三者交会于一点。同时，为了保证节点足以承受罕遇地震下可能产生的最大内力且保证与屈曲约束支撑相连节点在罕遇地震下不发生滑移，该工程采用了大于1．2倍的杆件的极限承载力的节点承载力进行节点计算，如图7所示。

4 工程造价及施工工期分析

该工程通过在单跨钢筋混凝土框架中设置屈曲支撑不仅有效提高结构的抗侧刚度及抗力，与上文中提到的两种传统加固方法相比，加固工程量大大降低。加固工程造价及工期对比如表3所示。

表3 加固工程造价及工期对比

由表3对比可知，柱截面加大了，工程量减少了30%，墙体拆除工程量减少了40%。因此，大大节约了施工工期与工程造价。经过测算，若采用文中提到的两种传统加固方法，该工程抗震加固造价约为100万元左右；而采用设置屈曲支撑加固方法后，该工程抗震加固造价约为60～70万元。施工工期方面：采用屈曲支撑加固工期仅为45d，而两种传统加固方法的工期估计为90d，因此工期缩短了50%。

5 结论

本文采用BRB对一栋实际中学教学楼进行了抗震加固，介绍了BRB在结构加固中的设计及施工方法，同时将BRB加固方法与传统加固方法的工程造价和施工工期进行了分析和对比，研究结论如下：

(1)实际中学教学楼达到了抗震加固的目的，结构的抗震性能大大提高。

(2)对单跨框架结构，设置BRB可以显著提高结构的抗震性能，且基本不影响建筑物的使用功能，施工简便值得推广与应用。

(3)BRB造价略高，但相应减少了结构的加固工程量，降低工程总造价，且施工工期大大缩短，适合于中小学校舍在暑期期间的加固。

[1] 赵晴，许更龙． 单跨多层外悬挑式框架结构校舍抗震性能试验研究[J]． 江苏建筑，2013(01):38-40,52．

[2] Hong-Ling Ye，Wei-Wei Wang，Ning Chen，Yun-Kang Sui． Plate/shell topological optimization subjected to linear buckling constraints by adopting composite exponential filtering function[J]． Acta Mechanica Sinica，2016(04):649-658．

[3] 胡大柱，尤毓慧，邵宏政． 屈曲约束耗能支撑在教学楼加固工程中的应用[J]． 工程抗震与加固改造，2009(06):88-92,83．

[4] JGJ297-2013 建筑抗震加固技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[5] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[6] GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[7] GB50023-2009 建筑抗震鉴定标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[8] 09SG610-2 国家建筑标准设计图集，建筑结构消能减震(振)设计[S]．北京：中国建筑标准设计研究院，2009．

[9] 李国强，胡宝琳，孙飞飞，等． 国产TJI型屈曲约束支撑的研制与试验[J]．同济大学学报(自然科学版)，2011(05):631-636．

[10]谢强，赵亮． 带有屈曲约束支撑双重结构体系的抗震性能[J]．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2008(02):221-225．

Application of BRB in seismic strengthen construction of primary and middle school

LIUJing

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

The single-span frame structure with cantilever is the main structure of primary and secondary schools． The seismic damage of these kind of structures is large， and these structures is usually reinforced by buckling-restrained brace (BRB)． Based on an actual secondary school building which was reinforced by BRB， the design and construction method of BRB in structural reinforcement are introduced in detail， and the engineering cost and construction period of BRB reinforcement method and traditional reinforcement method are analyzed and compared． The results show that the BRB can significantly improve the seismic performance of the structure by setting the BRB on the original single-span frame structure． The cost of the BRB is slightly higher， but within required construction period the construction quantity is reduced and the total construction cost is reduced．

Single-span frame； Seismic reinforcement； Buckling-restrained brace； Seismic performance； Construction period

刘静(1983.1- ),女，工程师。

E-mail:50420058@qq.com

2017-03-07

TU3

A

1004-6135(2017)05-0057-05