防屈曲支撑_BRB_在抗震加固工程中的应用

131第40卷增刊建筑结构2010年6月防屈曲支撑（BRB）在抗震加固工程中的应用郝贵强，杜永山，齐建伟（河北大地土木工程有限公司，石家庄050021）[摘要]介绍了防屈曲支撑的构成，分析了防屈曲支撑在框架-支撑结构体系中的耗能工作机理和设计方法。结合现行抗震规范和实际加固改造工程，分析了防屈曲支撑在应用过程中的计算方法和分析过程。结果表明，工程采用的耗能减震方案对减小部分构件地震作用力的效果明显，且结构层间位移得到了有效控制，达到了最初拟定的设计目标。[关键词]防屈曲支撑；框架-支撑结构；耗能减震；层间位移Theapplicationofbuckling-restrainedbraces(BRB)onearthquakeresistantengineeringandretrofittingHaoGuiqiang,DuYongshan,QiJianwei(HebeiDadiCivilEngineeringCo.,Ltd.,Shijiazhuang050021,China)Abstract:Thestructureofbuckling-restrainedbrace(BRB)wasintroduced.Thedesignmethodandenergy-dissipationworkprinciplesofBRBinRCframe-bracestructuresareanalyzed.Basedonseismiccodeandactualengineering,theenumerativeandanalyzablemethodswereanalyzed.Thecalculatingresultsshowthattheenergy-dissipationmethodwasavailablefordecreasingseismicloadonpartstructuresandthestorydisplacementiscontrolled.Theoriginalintentionwasrealizedinthismethod.Keywords：buckling-restrainedbrace;frame-bracestructure;energy-dissipation;storeydisplacement0前言为满足不同程度的抗震需求，通过以非结构构件耗散地震能量达到抗震设计目标的方法越来越多地应用于实际工程。这些非结构构件主要是指各种耗能器，将耗能装置置于结构体系内与结构构件协同工作，通过耗散地震过程中输入结构体系中的能量，减小结构构件承受的地震荷载，减轻结构构件的耗能损伤，达到保护结构构件的目的。结合实际工程，对防屈曲耗能支撑及其工程设计过程进行分析[1-3]。1防屈曲支撑工作原理及简化设计过程1.1防屈曲支撑及其本身的工作原理防屈曲支撑利用了金属材料良好的滞回耗能特性[4-6]，是一种在受拉与受压时均能达到屈服而不发生弯曲的轴力构件。它主要由钢支撑内芯、外包约束构件以及两者之间所设置的无粘结材料或间隙三部分组成，传统防屈曲支撑的基本组成如图1所示。防屈曲支撑的轴向荷载全部由内芯承受，根据设计参数，保证内芯钢板在预期荷载作用下，拉压状态屈服。当芯板受压时，内芯单元在较低的荷载作用下就会发生低阶屈曲模态（一般情形下发生绕弱轴的半波弯曲），随着荷载的增大，内芯单元由低阶屈曲模态转化为更高阶的屈曲模态。更高阶的屈曲模态意味着更多的半波数，使得内芯单元与约束单元有更多的约束内芯变形的接触点，外荷载可以一直增加，直到内芯单元的应力达到屈服点，进入弹塑性耗能阶段。变形历程如图2所示（间隙作放大处理）。图1防屈曲支撑各组成部件图2防屈曲支撑的变形历程1321.2防屈曲支撑在框架-支撑体系中的工作状态防屈曲支撑的外围约束部分解决了普通支撑杆件的受压屈曲问题，如图3所示，保证核心单元在预期的拉压荷载作用下达到全截面屈服耗能。图3普通支撑与防屈曲支撑对比试验对于普通支撑来说，地震作用超过支撑屈服荷载后，支撑发生整体或局部屈曲，会在该层形成薄弱层而造成结构破坏，如图4所示。另一方面，普通支撑往往由稳定控制，支撑长细比的限制条件又造成支撑截面过大，进而导致地震作用较大，需要增强与之相连接的梁柱截面尺寸，造价提升。图4框架-普通支撑抗侧体系图5框架-防屈曲支撑抗侧体系防屈曲支撑在中震或大震作用下均能实现拉压状态下全截面充分屈服耗散地震能量，如图5所示。另一方面，原来通过主体结构梁端形成塑性铰的耗能方式转变为只在防屈曲支撑部件上集中耗能，使主体结构大部分保持弹性，降低结构的地震损伤，较好地保护主体结构，给震后修复带来方便。1.3防屈曲支撑设计防屈曲支撑的简要设计过程如下：（1）根据结构整体计算结果及支撑承载力选择合适的计算截面。以整体计算指标满足要求为前提，据要达到的设计目标调整支撑、反复试算，选择合适的截面，保证支撑在目标地震作用下起到保护结构和构件的目的。（2）约束刚度的选择[7]外围约束单元具有足够的抗弯刚度是保证内芯单元受压屈服而不屈曲的首要条件，从而防止构件的整体失稳。考虑支撑实际受力状态中存在内芯单元与间接参与抵抗弯曲变形的外围约束单元之间存在轴向位移的差别，工程实际中，支撑整体失稳的临界荷载采用能量计算方法，计算公式：21122cr,g2πEIEIPl（1）式中：12EE，为分别为内芯单元和外围约束单元的弹性模量；12II，为分别为内芯单元和外围约束单元的截面惯性矩；l为支撑长度。内芯单元的本质是通过发生弹塑性变形消耗能量。因此，内芯单元在支撑整体失稳之前发生全截面屈服。考虑支撑内芯单元的抗弯刚度远小于外围约束单元的抗弯刚度及内芯屈服后的刚度退化影响，偏保守地忽略内芯单元自身刚度的贡献，将支撑内芯单元全截面屈服的必要条件可简化如下：2222yπ1EIlF（2）式中：为约束单元的相对刚度；yF为内芯单元全截面屈服荷载，yyFAf。（3）内芯单元自身的稳定式（1），（2）给出了支撑整体屈服时的抑制条件，这些条件保证了构件整体失稳的可能，但若外围约束单元提供给内芯单元的弹性约束刚度不足，即与内芯接触材料的弹性模量过小，则内芯单元在理论上有发生连续约束条件下失稳的可能，即内芯单元在约束区内存在稳定问题。（1）对约束构件填充材料的要求理论研究表明填充材料的弹性模量cE应满足：2yc1111241FEEI（3）钢材的弹性模量1E约比其屈服强度yf高三个数量级，而普通混凝土弹性模量cE仅比1E低一个数量级，所以采用混凝土作为约束构件的填充材料很容易满足要求。（2）对约束构件刚度的要求研究表明，随着接触点的增多，对约束单元的刚度要求逐渐降低，偏于保守计算，通常采用一点接触所需刚度进行设计，计算模型如图6所示。133图6内芯单元与约束单元单点接触外围约束单元对内芯的弹性支撑条件简化为弹簧常数为1c的弹簧221348EIcl（4）由平衡条件1c2PlQg可得荷载P与外围约束单元接触点位移的关系式：c114gclP（5）考虑正常使用极限状态的要求，如果以控制点位移为目标位移0，则对约束单元的刚度要求：222c0112PlEIg（6）（3）端部接触剪力接触点个数n对应于内芯屈曲半波数为n，而对于两端铰接的轴心压杆，发生n个半波弹性屈曲的临界荷载为：222πnPnEIl（7）由内芯单元的塑性特性y1nPfA，可得y1y1c011πnfAfAgQEIl（8）式中：EI为支撑截面的抗弯刚度，偏保守地可忽略内芯单元的贡献，仅取22EI。（4）连接段承载力分析[8]工程实际中通常采用简化的处理办法，即偏于保守地采用长柱稳定分析的屈曲应力，该值高于由内芯段的屈曲荷载换算得到的连接段应力，就能够得到较大的安全储备，同时考虑初始缺陷等不利因素的影响，控制条件如下：y23515btf（9）2防屈曲支撑在实际工程中的应用2.1工程概况河北省图书馆建于20世纪80年代初期，由书库楼组成阅览楼（阅览楼包括甲、乙、丙、丁4座楼），各楼之间由抗震缝隔开，平面布置如图7所示，以阅览楼乙为例，对加固改造方案进行分析。阅览楼乙为地上3层的现浇混凝土框架结构，层1，2层高为5.6m，层3层高为5m，建筑总高度16.95m，楼盖采用为现浇钢筋混凝土密肋板；基础形式为柱下钢筋混凝土独立基础。图7图书馆平面布置图结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组丙类抗震设防，框架抗震等级为三级。结构计算采用美国CSI软件公司的ETABSv9.0进行计算。2.2消能减震加固方案结构抗震计算结果表明，原结构设计的抗震设防标准已无法满足现行抗震设防标准的要求，主要表现在原结构底层柱承载力不能满足抗震要求，部分纵筋和箍筋配量不足，如果采用传统加固方法，逐个进行外包钢或扩截面加固，将带来很大的施工量和较长的施工工期；另一方面，边柱和角柱的加固作业将影响外立面和原有建筑功能和风格。因此，结合工程实际情况，提出采用设置防屈曲消能支撑对原结构进行加固的方案。在不影响外立面及抗震需求的前提下，并且满足改造后使用功能的需要，消能支撑采取如图8所示布置方案。（a）平面（b）立面图8阅览楼乙防屈曲支撑平、立面布置示意1342.3防屈曲支撑的设计目标及方法依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（2008版）并结合实际工程需要[9]，采取两阶段设计的方法，即加设防屈曲支撑后的结构应满足如下要求：1)常遇地震情况下，除满足配筋要求外，尚需满足装饰标准较高的层间位移角限值要求（框剪结构1/550；框架剪力墙结构1/850）；2)罕遇地震情况下，结构不致倒塌或发生危及生命的严重破坏和丧失使用功能的破坏。根据不同的设计阶段，耗能支撑采取不同的工作状态参与整体结构受力，计算方法也不相同。常遇地震作用下，支撑未进入屈服阶段，不耗能，只是提供附加刚度，改变地震力的分配，解决部分框架抗震承载力不足和层间位移较大的问题，采用振型分解反应谱法进行计算；罕遇地震作用下，采用弹塑性动力时程分析的方法进行计算，支撑进入屈服阶段进行耗能，提供相当的附加刚度，改变地震力的分配，减小结构的弹塑性位移，防止结构倒塌。2.4加固结构的抗震验算2.4.1结构动力特性分析由于支撑的布置，导致结构由平动周期为第一周期的特性转化为扭转周期为第一周期的特性，因此本次支撑布置时保证质心和刚心重合或接近重合。动力特性如表1所示。周期对比表表1无阻尼器加阻尼器周期/s平动系数扭转系数周期/s平动系数扭转系数T11.55040.810.19T11.09590.320.68T21.41201.000.00T21.02160.720.28T31.36800.190.81T30.98720.970.032.4.2地震作用下的强度和变形验算常遇地震作用下的计算结果表明，设置消能支撑后，结构底层柱承载力满足抗震要求，现有配筋满足要求，消能减震效果达到最初设计目标。根据现行《建筑抗震设计规范》，对采用消能技术的结构，应进行罕遇地震作用下弹塑性变形验算，本文采用时程分析法进行计算，计算结果如表2，由表2可发现消能支撑的设置有效减小了结构层间位移角，结构变形得到了有效控制，控制率均达到45%以上。层间位移角对比表2常遇地震时程分析工况无耗能支撑加耗能支撑无耗能支撑加耗能支撑X向1/7231/12571/791/123Y向1/5251/10351/541/1152.4.3构造措施为避免对原有节点的损坏及改造，保证耗能支撑在地震作用下充分发挥作用，采取附加钢框的构造措施（图9）。图9附加钢框构造措施3结论工程通过利用防屈曲支撑优越的抗震性能，将其设置在结构内与原结构构件协同工作，提高结构部分单榀框架的刚度和有效阻尼，改善了结构地震力分配，通过消能支撑耗散地震能量提高整体结构的抗震性能，通过计算满足了抗震设防要求，达到了加固设防的目的。另一方面，从经济性和施工工期都较传统加固方案优越。参考文献[1]欧进萍.结构振动控制—主动、半