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屈曲约束支撑在结构抗震加固中的应用

2018-05-05姚长军

科学与技术 2018年11期
关键词:有限元建筑结构

姚长军

摘要:作为当前建筑支撑结构应用的基本形态,屈曲约束支撑具有优良的滞回性能;其能实现建筑抗震性能的有效保障。本文在阐述屈曲约束支撑基本内涵的基础上,对其抗震加固的有限元模型进行分析,并指出屈曲约束支撑在结构抗震加固中的具体应用。以期有利于屈曲约束支撑应用质量的提升,进而推动建筑工程行业的进一步发展。

关键词:屈曲约束支撑;建筑结构;抗震加固;有限元

随着建筑工程的不断发展,人们对于建筑抗震性能的要求不断提升;钢结构的抗弯曲性能较为突出,故而在建筑工程中的应用不断广泛。传统工程建设中,抗弯钢框架体系、支撑框架结构以及双重结构体系是钢结构应用的三种基本形态,然而随着建筑高度的增加,钢结构会产生柔性变化,影响整体的刚度和抗震性能。基于此,屈曲约束支撑得以应运而生。

一、屈曲约束支撑的基本内涵

屈曲约束支撑是钢结构建筑应的全新形态,其包含了轴力构件单元、屈曲约束单元、连接单元和隔离单元四个基本组成部分[1]。支撑应用中,四个单元结构相互影响,相互作用。具体而言,轴力构件单元能够实现轴向荷载的有效消除;在其周围环包有屈曲约束单元,一旦轴力构件单元受压或受压较大,则屈曲约束单元会发生作用,防止其变形现象的发生。连接单元应用的目的在于是实现屈曲约束支撑与建筑结构的连接,一般情况下,其处于轴力构件单元的两端。隔离单元应用中,橡胶、聚乙烯、硅胶等材料是其应用的基本形态,其能防止轴力构件单元芯材对屈曲约束单元的作用,确保了结构整体支撑能力的提升。

二、屈曲约束支撑抗震性能的有限元分析

1、屈曲约束支撑的有限元模拟

抗震设计过程中,传统的房屋设计以梁、柱以及节点的塑性变形进行地震输入能力吸收。从应用过程来看,这种应用结构的非线性变形较为明显,在地震过程中受拉力和压力的作用较为直接,导致其修复难度及成本的增加。

屈曲约束支撑应用中,若受到地震拉力或压力作用,则其会表现出较为突出的滞回性能和耗能能力,并使得自身的滞回曲线更加饱满,滞回环不会出现刚度退化[2]。从宏观力学性能看,屈曲约束支撑可近似表达为双线型模型的Wen塑性模型(见图1)。有限元模拟过程中,通过塑性连接单元的应用,即可实现钢结构中屈曲约束支撑单元的有效模拟;并在工程设计指标的控制下,即可实现塑性模型参数的准确把控。工程实践中,为确保Wen塑性模型把控的规范,设计人员需对屈服后刚度比和屈服指数进行严格控制。一般情况下,屈服后刚度比取值为0.01,而屈服指數取值为2。

屈服约束支撑框架有限元分析过程中,一旦受地震荷载作用,则轴心受力构件会受到拉力和压力两种作用。拉力作用下,轴心拉力、构件净截面面积、材料抗拉强度设计值等都会对构件受力值产生影响。其关系可表示为:

式中,a表示构件的受力状况;而N和An分别表示轴心拉力和构件净截面面积;此外,f代表了材料抗拉强度设计值。由式可知,为确保屈曲约束支撑结构具有较强的支撑能力,应对其材料抗拉强度进行充分保证,从而确保其在受拉状态下的状态良好。

受压状态下,材料抗压强度和构件稳定性是影响其支撑效果的两个基本要素。当材料抗压强度确定后,构件稳定性可表达为:

式中,A表示构件的毛截面面积,而F为轴心受压构件的稳定系数。通常,轴心受压构架内的稳定系数取正数,且取值范围小于1[3]。普通构件应用中,其抗压能力与抗拉能力存在较大差距,构件存在较大的长细比,故而压力承受能力较弱,而在屈曲约束支撑中,高阶模态下芯材屈曲的极限荷载得以有效控制,从而在提升材料受压能力的同时,确保了其抗弯曲性能的有效提升

2、屈曲约束支撑在结构抗震加固中的应用特征

基于屈曲约束支撑有限元分析可知,建筑结构抗震加固中,屈曲约束支撑的应用具有以下特征:其一,屈曲约束支撑应用中,受压稳定性问题得以控制,一旦遇到风载或地震作用,其承载能力可达到普通建筑的2~10倍;并且在相同承载条件下,屈曲约束支撑的截面积相对较小,结构的侧向刚度变柔,其在延长结构自振周期的同时,实现了地震反应的良好控制。其二,中震作用下,屈曲约束支撑的塑性变性相对有限,工程建设人员只需将产生塑性变性的约束支撑予以更换,即可实现震后建筑的继续使用,具有较强的屈服承载能力。其三,一旦发生较大强度的地震作用,则屈曲约束支撑可凭借着优越的变形能力和滞回能力,实现大振作用能量的有效消耗,从而确保建筑抵御大震能力的增强。

三、屈曲约束支撑在结构抗震加固中的具体应用

1、工程概况

某酒店工程项目位于上海市青浦区徐泾镇,工程建设总跨度较广,其中,南北界线分别为盈港东路和会鼎路,而东西走向由蟠祥路延伸至蟠龙路。建筑总面积为18216.2平方米。酒店主体结构建设中,为确保酒店抗震性能的可靠,钢结构屈曲约束支撑是其基本的建设形态。具体建设中,酒店楼层总高为47m,分11层建设施工,其中檐口标高为43.6米,柱高和跨度均为8.4米,建筑总用钢为1900吨。

2、屈曲约束支撑在结构抗震加固中的应用

本酒店工程属于新建钢结构建筑。抗震加固体系应用中,工程建设人员对屈曲约束支撑的钢框架承载能力进行分析,并在有限元模型控制下,实现了抗侧力的有效保证。具体而言,工程建设人员首先对材料的防屈曲性能进行计算,确保了地震作用下,材料抗压能力的满足,并且在材料用量控制中,实现了抗振特性与经济效益的吻合。另外,本项目系平面结构较为规整,而竖向结构进行了建筑新结构的应用,这就使得平面和竖向的地震荷载分担出现较大差异。平面结构应用中,本工程适当的进行屈曲约束支撑材料规格的优化,确保了其结构阻尼效果的增强,实现了抗震稳定性的提升。而在竖向结构应用中,薄弱层、加强层应用是屈曲约束支撑应用的主要形式。在不规则竖向结构的薄弱层,建筑的侧向刚度和承载力会有所下降,此时在屈曲约束支撑加强层设置下,建筑不规则变性的发生概率大大缩小,有效的保证了酒店抗震能力的提升提升。

结论

屈曲约束支撑对于建筑抗震能力提升具有深刻影响。实践过程中,工程建设人员只有充分认识到屈曲约束支撑的应用优势,并在分析其抗震性能影响因素的同时,进行实际工程建设的规范应用,才能确保屈曲约束支撑应用质量的提升,进而推动建筑工程行业的进一步发展。

参考文献

[1]白亮,王增保,张涛等. 屈曲约束支撑在底部框架-抗震墙砌体结构抗震加固中的应用研究[J]. 建筑结构,2017(8):23-28.

[2]张媛,尤国萍. 屈曲约束支撑研究进展[J]. 江西建材,2017(5):15-15.

[3]刘静. 屈曲约束支撑(BRB)在中小学校舍抗震加固工程应用[J]. 福建建筑,2017(5):57-61.

(作者单位:中国核工业华兴建设有限公司上海分公司)

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