姚振道

摘 要：基于剪力比的屈曲約束支撐作為一種抗震構(gòu)件，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。以實際工程為例，分析了基于剪力比的屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用，著重闡述了其設(shè)計要點，并對加設(shè)屈曲約束支撐前后的結(jié)構(gòu)抗震性能的變化進行了比較。結(jié)果顯示，基于剪力比的屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，能夠明顯改善建筑物的抗震性能。顯示結(jié)果對基于剪力比的屈曲約束支撐的全面推廣及應(yīng)用具有重要意義，可以為相似的工程提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：剪力比；屈曲約束支撐；混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震性能

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.034

1 屈曲約束支撐框架的研究現(xiàn)狀

美國自從北嶺地震之后就開始注重在工程中應(yīng)用屈曲約束支撐。在大量理論論證和實踐研究的基礎(chǔ)之上，在2001年，北加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會與美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會共同針對屈曲約束支撐進行了規(guī)定條文的編制工作，這項條文已經(jīng)于2003年被聯(lián)邦應(yīng)急管理局納入最新的抗震規(guī)定之中，同時也被最新版的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計規(guī)程》收錄。

2004年，Kim等研究人員對屈曲約束支撐鋼框架提出了一種新的基于位移的設(shè)計方法，這種方法中的建筑主體結(jié)構(gòu)能夠在地震的作用下依然保持彈性，可以通過屈曲約束支撐來有效承擔側(cè)方向的載荷，將多自由度的體系等同于等質(zhì)量、阻尼比和剛度均相同的單自由體系，能夠通過阻尼比來獲得作用于主體結(jié)構(gòu)的地震力。實踐表明，采用該方法時，3～5層的屈曲約束支撐能夠與建筑物的設(shè)計目標良好吻合，在實際中能夠充分發(fā)揮其作用。

國外對屈曲約束支撐的研究已經(jīng)比較普遍，相比之下，國內(nèi)相關(guān)研究較少。2005年，劉建彬在總結(jié)國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國建筑物建設(shè)規(guī)范，提出了一套直接基于位移的屈曲約束支撐鋼框架結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計方法。

此方法首先按照大震標準設(shè)計，將遭遇大震時屈曲約束支撐的能耗轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗟冉Y(jié)構(gòu)阻尼，通過對建筑物主體結(jié)構(gòu)地震力的折減，來達到可靠支撐的設(shè)計目的。該方法缺點也十分明顯，其設(shè)計思路是從大地震入手，與我國建筑物規(guī)范中的“小震設(shè)計，大震驗算”的設(shè)計思路背道而馳，具體實施起來步驟繁雜，因此很難進行大規(guī)模的推廣使用。

2 屈曲約束支撐的作用機理

作為抗震構(gòu)件的一種，屈曲約束支撐在美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。它的作用原理如下：在多遇地震的情況下，該構(gòu)件處于彈性狀態(tài)工作，與建筑物的普通支撐一樣，提供抗側(cè)剛度；而在遭遇罕見大地震的情況下，其又進入塑性狀態(tài)工作，能夠通過支撐線材的軸向伸縮變形來緩解地震的巨大輸入能量，起到類似于“保險絲”的作用。屈曲約束支撐的使用，不僅能夠有效地保護建筑物主體結(jié)構(gòu)在遭遇罕見大地震時盡可能少地受到損壞，還可以增大結(jié)構(gòu)阻尼，有效減小位移，從而達到更高水平的抗震目標，即“小震經(jīng)濟、中震不壞、大震易修、余震不倒”。屈曲約束支撐之前常被應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程之中，而在混凝土結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)用比較少。

3 混凝土框架分析

以某混凝土框架工程為例，該建筑共計5層，地上4層，地下1層，總建筑面積達3.0×104 m2，高度為31 m。該工程采用框架支撐體系，其中，支撐部分需要通過屈曲約束的方式得以實現(xiàn)，且該建筑物較大跨度的組件均采用鋼架結(jié)構(gòu)。另外，該工程中樓層高度不同，其所承載的負荷和結(jié)構(gòu)剛度表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性。因此，該建筑物可以采用基于剪力比的屈曲約束支撐方式，來明顯改善建筑物整體的剛度分布，增強其抗震能力。

方案之一：如果只采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，那么這個工程的抗側(cè)剛度明顯不足，不能夠滿足現(xiàn)階段《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于建筑物的規(guī)定，也就是層間位移角應(yīng)當小于1/550；如果一味增加建筑物柱子的橫截面面積，就會進一步壓縮整個建筑工程的利用空間，給工程帶來不利影響。因此，此種方案缺陷較多，業(yè)主也不希望選擇這種方案，單純使用混凝土框架結(jié)構(gòu)體系這條道路行不通。

改良后的方案：如果在該工程的樓梯間部位添加相關(guān)的混凝土剪力墻，施工不僅嚴重影響了整個建筑物的外觀結(jié)構(gòu)，而且在地震災(zāi)害發(fā)生時，這種不對稱的混凝土結(jié)構(gòu)會使得建筑物整體扭曲變形，危險系數(shù)增加。

綜合以上因素，如果采用混凝土框架外加剪力墻的建筑方案，雖然能夠在一定程度上改善整個建筑物的抗側(cè)剛度，但是卻會影響建筑物整體結(jié)構(gòu)；如果完全采用之前常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)作為支撐，可以提高整個建筑工程的抗側(cè)剛度，同時可以對建筑物在較大地震災(zāi)害中第一震型的扭轉(zhuǎn)問題加以防止和修正。但此方案最大的問題是當?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，所采用的鋼結(jié)構(gòu)支撐框架會遭受到很大的來自軸向的應(yīng)力作用，從而很容易出現(xiàn)應(yīng)力屈服的現(xiàn)象。

倘若要規(guī)避這種應(yīng)力屈服現(xiàn)象的發(fā)生，可以采用增加鋼結(jié)構(gòu)支撐面橫截面面積的簡單做法，但這種做法會使得其剛度增大，造成鋼架構(gòu)支撐所承受的應(yīng)力繼續(xù)增加，對建筑物整體的抗震性能非常不利。如此大的鋼截面支撐會影響整個建筑工程的美觀度，同樣也會嚴重影響整個建筑的使用功能。

如果將這個建筑采用鋼管作為支撐，由于建筑整體的混凝土架構(gòu)，兩者之間的緊密連接就會變得非常有難度，所以，如果建筑采用基于剪力比的屈曲約束支撐，相對而言比較適合該建筑工程項目。該技術(shù)不僅能夠提升整個建筑物的抗側(cè)剛度，改善扭轉(zhuǎn)變形，還能夠降低節(jié)點之間的剪力和軸力之間的相互作用，使得節(jié)點更加易于設(shè)計施工。設(shè)計基于剪力比的屈曲約束支撐時，首先應(yīng)當對建筑工程整體的剛度需求有個總體的把握，根據(jù)符合規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)所需的抗側(cè)剛度來確定建筑物屈曲約束支撐的橫截面尺寸。當達到這一要求之后，還需要對支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況進行全面的分析，從而確定比較適宜的承載能力。模擬分析顯示，當未采用屈曲約束支撐時，建筑整體抗側(cè)剛度欠缺，層間位移角無法達到設(shè)計標準。當采用基于剪力比的屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)之后，性能指標全部達標，上部薄弱部分抗側(cè)剛度也明顯增加，有效減少整個建筑物的層架位移。

4 結(jié)束語

基于剪力比的屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)能夠有效改善建筑物抗震能力，該支撐結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，既保證了建筑物的外觀及相應(yīng)的使用功能，同時還可以使得建筑物內(nèi)部空間得以充分利用，加上既有抗震性能的提高，可以達到一箭三雕的效果。

參考文獻

[1]王建華，于巖磊.帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑設(shè)計管理，2013（05）：41-44.

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〔編輯：劉曉芳〕