屈曲约束支撑的创新使用

刘李斌　徐清

摘要：屈曲约束支撑框架（BRBF）是近年发展起来的一种新兴结构体系，由包含钢框架屈曲约束支撑（BRB）的钢框架组成。BRB的特点是所受的压力和张力近乎相等且弹性高。BRB包括通过灌浆填充物固定空心型钢中内的软钢芯，这限制了其发生屈曲。钢芯与砂浆填料分离，使其独立于灌浆作用，由屈服区和弹性区组成。

关键词：弯曲限制支架；地震；未粘合支架

0引言

屈曲约束支撑框架（BRBF）是一种较新型的同心支撑框架系统，其使用在能够拉伸和压缩的弹塑性屈服钢架。

本文概述了BRB的组成部分和特点以及和美国制造商的合作研讨，也概述了为奥克兰大学两个项目B403/404工程学院和B302南塔提出的BRBF体系的简要说明。旨在为设计师提供一个大纲，这个大纲包含在新西兰BRBF必须考虑的结构设计条件。

1 BRB的介绍

屈曲约束支架的概念最初是在日本在八十年代后期提出的。初始系统由“夹在”预制混凝土板之间的钢板来抑制屈曲。这主要用作抗震框架结构中的滞后阻尼器。

随后，BRBF在美国得到进一步发展，它作为一种支撑元件，利用可以产生张力和压缩力的非粘结钢芯。该钢芯被包含在钢SHS或CHS元件内的灌浆包围，从而限制内钢芯在压缩载荷下屈曲。在二十世纪九十年代末期和二十世纪初期，进行了相当多的研究和测试，现在三家BRB制造商正在美国申请专有的专利系统。美国使用屈曲约束支撑第一楼建于2000年。到2000年中期，近30个项目在美国完成或正在进行中。针对中的BRB设计指导最近在美国被开发编写各种设计指导方针和出版物（例如SteelTIPS，并为钢结构建筑抗震AISC规定）。在美国使用BRBF已经越来越受欢迎，目前在美国已完成或正在进行的项目已达到200个。

BRB在在地震期间能够承受周期性载荷。通过压缩和张力屈曲，支架能够消散大量的地震能量。支撑的抗压能力与抗拉能力密切相关，抗压能力略高于抗拉能力。

内部相对细长的钢芯被包裹在灌浆和外部钢管中。内钢芯承载载荷，水泥浆和钢管的作用是防止钢芯在大的压缩载荷下发生屈曲。内钢芯和混凝土之间的相交处需要特别处理，因为内芯会不粘附到混凝土上。而且，内芯构件不能被限制，不能屈服。为了防止粘连，确保适当的限制和变形，全尺寸的支撑体系已经由制造商进行测试研究。

BRBF在新西兰使用的很少。据了解迄今已经设计了两个项目，但是这些项目所需的支撑能力的大小远远低于奥克兰大学B403，404和B302项目。目前，“新西兰法典”并没有包括有关BRBF的具體设计规范。但是，美国和加拿大的设计规范可以适应新西兰。笔者建议与相关的结构同行和当地管理局早日就设计方法达成协议，以便项目在建设过程中，相关的审批程序不会受到影响。

2无粘结支撑

无粘结支撑可焊接固定，可螺栓连接结构。

无粘结支撑的设计和制造均采用“十字形”形状或“扁平”芯，通过“分离介质”与灌浆材料分离。新日铁工程公司估计，在福岛，岩手，枥木，墒玉，千叶，东京和神奈川县有超过300栋建筑物使用无粘结支撑——在大东北地区经历了4-5分钟的M9.0强烈地震震动，但是据了解，这些结构并没有失效，其支撑在地震中仍未破坏。

3测试过程

BRB的测试已在美国大量进行，包括单轴实验和其子组件试验。测试程序由AISC 341和FEMA 450编写。

4奥克兰大学项目

Beca目前正在奥克兰大学进行两个重大项目的结构设计，其使用的是BRBF体系。

4.1 B403/404工程学院

在建的B403/404工程学院大楼位于奥克兰市中心城市校区Grafton路。它是一个10层的结构，在现有的4层混凝土框架和剪力墙结构的顶部新建6层。有关三维结构透视图请参见图4。

403和404建筑物是1960年代初建成的钢筋混凝土结构。403号楼有三个现有的悬挂楼层（3，4和5层），而404号楼有四个现有的悬挂楼层（2，3，4和5层）。

403和404建筑物有三排钢筋混凝土框架，位于外部外墙线和中央格栅上，以在纵向（北/南）方向上向建筑物提供横向承载力，这些框架支撑建筑的重力。在横向（东/西）方向上的侧向载荷支撑是借助于一对剪力墙，在两个建筑物的两端都有一个。两座建筑物的基础都包括现浇地基，钢筋混凝土桩，这是扩底基层。地梁在地面上连接这些桩。

②结构体系。

现提出了一个新的“BRB外框架”钢架架设方案，主要是在现有围护结构支撑纵向和横向的新建楼层荷载。在现有的钢筋混凝土中心柱上支撑上部新建的6层中心钢柱。这些现有的钢筋混凝土柱的加固需要支撑新增的楼层的重力荷载。

钢框架布置为“单对角”式的BRB布置，以减少对梁的载荷。通过限制结构的位移，支撑体系将减少对混凝土纵向框架和减小对剪力墙的作用。结果是横向荷载下的地基载荷与剪力墙系统施加的地基载荷相比有所降低。这样可以尽可能地重新使用现有的桩，使新打的桩数量保持最低。横向BRB位于现有建筑围护结构1.7米处，需简化新桩基础的安装。

两个内部支撑框架线已添加到中央空间的一侧，让其拥有一些灵活性来创建楼梯结构的楼层空间和楼层之间的连接。这些内部支撑的位置也被确定以避免外部纵向BRB。这避免了同时支撑两个主轴的横向载荷的外部柱。BRB框架布置的另一个优点是水平和垂直的荷载均匀分布，最大限度地减小扭转发生。

一个潜在问题是结构的下半部分暴露在外部，因此在耐用性方面需要特别注意。这种结构的支撑能力对于UIS而言从3000kN到4000kN不等，最高的具有大约支撑4500kN的能力。表面尺寸从200毫米到350毫米的不等。

4.2 B302南塔endprint

所提到的B302南塔楼是位于奥克兰市中心城市校区Symonds Street和Wellesley Street East角落的新建的12层楼。有关三维结构透视图，请参见图5。

①现有结构。

现有科学中心的南塔上层建筑由双层混凝土框架构成，具有混凝土剪力墙结构。先打算将上层建筑拆迁至地面，基础保留，用于建新的B302结构。

②提议的结构体系。

新的B302结构将由大跨度梁支撑的混凝土复合金属型钢组成。这些又由现有的基础和焊接钢柱支撑组合。

与之类似的工程学院，单斜对角BRB将被用作横向和纵向上的主要侧向承载体系。支撑布局的负载扩大到四个结构隔离区，由于杠杆臂较大，有利于降低基础载荷。该布置具有简化连接的优点，因为支撑负载可以直接传递到下一个支撑，而不是通过梁传递。

BRB均匀分布在结构周边以减少扭转行为，类似于B403/404，BRB在横向和纵向方向上设有共同的柱，以避免荷载集中增加负载。

BRB布置的一个特殊问题是结构暴露在外面，并且为了尽量减少对内部建筑布局的影响，角撑板连接已被减小，以减少总体的尺寸，参见图6。

5设计注意事项

在设计这些项目期间遇到了以下问题：

5A基础

根据支撑布置（即支架数量，支撑槽宽度），可以在地基中产生较大的集中压缩、拉伸载荷。这可能需要较大基础板构件将力传递到桩中。

5.2连接方式

所使用的连接类型（螺栓/刚接/焊接）对BRBF设计有很大的影响。所使用的连接类型在满足美国规范的同时也必须满足各种要求。所使用的连接类型也会对框架的受力性能产生影Ⅱ向，因为刚接的是最理想的。这是因为一个刚性连接和角撑板可以通过框架的偏移二次傳力给柱，梁和支撑中。由于这个原因，刚接被认为是效果最好的，然而这也需要较大的角撑板，因此其仍将具有不变性。

5.3阻尼

虽然BRB具有和美国设计规范中相关的高滞后阻尼，但是这种高水平的滞后阻尼的作用被忽略了。因此，在美国进行的试验是根据标准的5%迟滞阻尼Ⅱ向应谱曲线进行评估的。据了解采用这种保守的假设，是为了获得美国监管机构的批准。

5.4强度

美国规范要求在BRBF结构体系中设计非延性构件的“非韧性设计”方法。这意味着需根据支撑的预期变形和通过支撑试验确定特定的曲线以计算支架超强度力。

5.5弹性与非线性分析

弹性分析如果按照适用于美国规范估算支撑的非线性变形反应谱通常是足够OCB的设计。则弹性分析通常足以用于BRBF的设计。

如果需要更高的精度，则可以使用非线性分析。

5.6可施工性

设计者需要考虑BRBF的可施工性方面问题，特别是对螺栓孔直径的误差和支撑点长度。还需要考虑如何纠正施工现场发现的问题，如果不符合所规定的误差，则可以修改支撑。

5.7地震发生后

屈曲约束体系不是一个单独体系，它会在地震结束后将建筑物恢复到原来的位置。然而可以将其设计为将任何位移限制到可接受的范围。在地震发生后，可能会拆除一些BRB构件，并将框架恢复原位。到目前为止，这个建筑还没有完成，但是在M9.0大东北地震之后，日本的BRBF结构中没有出现任何问题。

5.8耐久性

BRB构件的耐久性是一个待解决的重要问题，特别是在如奥克兰等沿海地区。BRB可能需要特殊的保护，并倡导设计师与BRB制造商合作解决该问题。

5.9后续工作

新西兰的BRB的设计和供应已经有了很长的时间，供应商估计需要14到36周的时间才可交付新西兰的奥克兰大学的相关项目。

6总结

总之，与其他传统的支撑体系相比，BRB在地震荷载下有优秀的性能。因此贝卡提出在两个奥克兰大学项目中使用BRBF。BRB建造由美国的三家专有制造商的其中一家提供。本文概述了设计人员在设计BRBF结构时必须考虑的重要事项。endprint