屈曲约束支撑在工程中的应用

2016-10-19夏宝阳蔡旭荣彬冯昌喜

天津建设科技 2016年4期

□文/夏宝阳蔡旭荣彬冯昌喜

屈曲约束支撑在工程中的应用

□文/夏宝阳蔡旭荣彬冯昌喜

天津滨海新区市民活动中心结构形式为带屈曲约束支撑的框架结构。屈曲约束支撑框架（BRBF）是一种新型的带支撑的框架形式，它克服了传统中心支撑框架易屈曲的缺点和在延性、耗能能力上的局限性。文章结合工程实例，详细介绍了屈曲约束支撑框架体系的施工要点、特性和工程应用。

屈曲；约束支撑；抗震

框架结构体系具有平面布置灵活、空间较大、便于施工、经济性好等优点，是一种非常普遍的建筑结构形式，在工程中有着十分广泛的应用。但是框架结构的抗侧移刚度较小，抗震性能差，因此在实际工程中常在框架结构中设置竖向支撑，这样可以显著地提高框架结构的抗侧力能力，这种设置了支撑的框架结构称为支撑框架体系［1］。传统的中心支撑框虽然构造简单便于施工，但其抗震性能较差，易在水平地震作用下屈曲，不利于能量耗散。因此相对于传统的中心支撑框，一种新型支撑框架屈曲约束支撑框架（BRBF）被提出来，它克服了传统中心支撑框架易屈曲的缺点和在延性、耗能能力上的局限性，可以在建筑结构抗震设计方面发挥重大作用。本文介绍该体系的特点及其在天津滨海新区文化中心市民活动中心工程中的实际应用。

1　工程概况

天津滨海新区市民活动中心坐落于滨海文化中心北面，临旭升路，地下2层，地上7层，建筑面积41 027.6 m2，主要屋面顶标高34.5 m，局部屋面顶标高37.5 m，结构形式为带屈曲约束支撑的框架结构，见图1。

图1　滨海市民活动中心

2　屈曲约束支撑的应用

2.1屈曲约束支撑

屈曲约束支撑的主要结构可以概括为核心单元、约束单元和滑动机制单元3部分，见图2。核心单元是屈曲约束支撑的关键构件，它承受支撑所承受的全部轴力并通过承受该轴力发生屈曲变形从而达到耗能的目的。核心单元的作用是使支撑在地震作用下先于梁柱结构进入塑性阶段，从而发挥耗能减震作用，减轻震害，因此其材料一般选用屈服点较低的钢材以保证及早屈服。约束单元约束是约束核心单元，使核心单元近似保持轴向受拉受压的状态并保证在两种状态下均能屈服。滑动机制单元介于核心单元和约束单元之间，可以看作两者之间的一层隔离层。由于泊松效应作用，核心单元受压会侧向膨胀，在核心单元和约束单元间设置有一定厚度的隔离层可减小或消除核心单元传给约束单元的力［2～4］。

图2　屈曲约束支撑结构

屈曲约束支撑的基本工作原理：在地震作用下核心单元承受支撑所承受的全部轴向力。此轴向力可分为轴向拉力和轴向压力两个方向，轴向拉力下核心单元可正常屈服耗能，轴向压力作用下核心单元会在屈服前发生受压屈曲，耗能作用将小于轴拉情况。因此，使用约束单元包裹核心单元，限制其侧向弯曲，从而有效避免核心单元受压屈曲，使核心单元可以正常的受压屈服耗能。

2.2工程应用

考虑到天津属于地震高烈度地区，滨海市民活动中心设计时加入了屈曲约束支撑。屈曲支撑共72根，为耗能型（焊接），核心单元为十字形构件，约束单元为箱型构件，与框架的连接形式是焊接十字型接头。BRBF安装与主体结构同步进行，先进行临时固定，待主体安装完毕后再进行最终固定，见图3。

图3　屈曲约束支撑安装流程

屈曲支撑安装前检查节点板在施工过程中出现的平面偏移。平面偏移不得超过节点处最厚板厚的1/3，当超过时，应进行相应的纠偏措施。节点位置偏移消除后，对支撑进行安装就位后，对支撑位置进行调整和校正并采用有效的固定方式进行临时固定。支撑临时固定后，先焊接上端部节点，后焊接下端部节点。见图4和图5。

图4　屈曲约束支撑安装

图5　支撑端部焊接顺序

3　屈曲约束支撑作用

屈曲约束支撑在受拉压轴向力时均可达到屈服，充分发挥材料耗能性能，与传统中心支撑相比承载能力有效提高，支撑作用完整体现，耗能能力增强，两者的滞回曲线见图6。

图6　BRBF和普通支撑的性能对比［4］

使用屈曲约束支撑框架对既有框架体系进行减震加固，可提高整体结构的抗震性能且屈曲约束支撑、附加框架与既有框架协同工作良好。框架结构的破坏形式主要为梁端破坏和柱端破坏，底层中柱易出现剪切型斜裂缝，而导致结构柱发生压力作用下的剪切破坏。屈曲约束支撑可有效避免结构柱过早出现剪切裂缝，抑制裂缝的发展，提高柱子抗剪承载力并将可能出现的柱端塑性铰转移到梁端，形成强柱弱梁的屈服机制，明显改善框架的抗震性能［5］。

多遇地震作用时屈曲约束支撑具有和普通支撑一样的作用，可增强结构的抗侧刚度。而在罕遇地震作用时，屈曲约束支撑不仅可以增强结构的抗侧刚度，还能再结构进入屈服阶段后继续工作。研究表明，屈曲约束支撑的滞回曲线饱满，具有很好的耗能能力和延性。大幅提高结构的抗震性能和延性，使结构在强地震作用下不至于倒塌。

屈曲约束支撑在受拉压轴向力时均可达到屈服，充分发挥材料耗能性能，在地震作用后产生塑性变形的支撑可以方便地更换，有利于震后修复工作［6］。

4　结论与展望

结合天津滨海新区市民活动中心工程中的具体应用，详细介绍了屈曲约束支撑的构成、基本原理及其施工技术。屈曲约束支撑的核心单元承受支撑所承受的全部轴力，约束单元约束核心单元使其在拉压状态下均能屈服，滑动机制单元作为隔离层减小或消除核心单元因受压膨胀传给约束单元的力。屈曲约束支撑在受拉压轴向力时均可达到屈服，充分发挥材料耗能性能，克服了传统中心支撑框架易屈曲的缺点和在延性、耗能能力上的局限性，而且屈曲约束支撑在地震作用后产生塑性变形的支撑可以方便地更换，有利于震后修复工作，可以减少相应的维修成本，因此屈曲约束支撑在建筑结构抗震设计中具有良好的应用前景。

［1］刘睿.支撑框架在钢筋混凝土结构中的研究综述［J］.建筑安全，2014，29（12）：25-29.

［2］杨昌民，牧野俊雄，李宏男.防屈曲支撑的研究进展及其工程应用［J］.建筑科学与工程学报，2011，28（4）：75-85.

［3］章宏东，方鸿强，王珏.高层钢结构住宅建筑中防屈曲耗能支撑技术的研究与应用［J］.建筑结构学报，2011，（S1）：142-146.

［4］汪家铭，中岛正爱，陆烨.屈曲约束支撑体系的应用与研究进展（I）［J］.建筑钢结构进展，2005，7（1）：1-12.

［5］黄海涛，高向宇，李自强，等.用附加防屈曲支撑钢筋混凝土框架加固既有钢筋混凝土框架抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2013，34（12）：52-61.

［6］李国强，胡大柱，孙飞飞.屈曲约束支撑铰接钢框架结构体系抗震性能［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2008，36（12）：120-124.

□蔡旭/天津开发区建设工程监理公司。

□荣彬、冯昌喜/天津大学建筑工程学院。

TU375.4

1008-3197（2016）04-07-03

2016-03-28

夏宝阳/男，1979年年出生，工程师，天津开发区建设工程监理公司，从事工程监理工作。