框架與框撐結(jié)構(gòu)由于柱網(wǎng)開間大，建筑空間布置靈活，在多高層建筑中具有廣泛應(yīng)用。但框架的抗側(cè)剛度有限,在地震和強(qiáng)風(fēng)荷載作用下側(cè)向位移較大,限制了它的應(yīng)用高度或者導(dǎo)致應(yīng)用造價(jià)高。此外，在這次汶川地震中也暴露了框架結(jié)構(gòu)與底框結(jié)構(gòu)一道防線在罕遇地震時(shí)存在較大的倒塌與嚴(yán)重破壞的可能。
中心支撐與框架結(jié)合是一種高效的抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系，可以提高框架的應(yīng)用高度并有效降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，并可形成抗震的兩道防線。然而在中震與大震下，中心支撐的受壓屈服承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于受拉屈服承載力，支撐長(zhǎng)度越長(zhǎng)兩者的差距越大，由于支撐屈曲后其耗能能力大大降低，所以為了保證中心支撐會(huì)受壓不發(fā)生屈曲，故往往將其截面加大許多以符合設(shè)計(jì)需求，但仍不能保證強(qiáng)震下的屈曲。
1 屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)概念
屈曲約束支撐在鋼芯外設(shè)置外圍約束套管,受拉受壓時(shí)都可以屈服,抑制了壓曲現(xiàn)象,可獲得飽滿的荷載-位移滯回曲線。屈曲約束支撐構(gòu)件與框架結(jié)合不僅是一種高效的抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系，并且是一種新型的耗能減震體系，在中震與大震下具有更好的抗震耗能性能。屈曲約束支撐體系與抗彎剛框架和普通支撐框架相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）與抗彎框架相比，小震時(shí)屈曲約束支撐體系線彈性剛度高，可以很容易地滿足規(guī)范的變形要求，有效降低結(jié)構(gòu)造價(jià);與中心支撐框架相比，屈曲約束支撐可以受拉、受壓時(shí)都發(fā)生屈服，消除傳統(tǒng)中心支撐框架的支撐屈曲問題，因此在強(qiáng)震時(shí)有更強(qiáng)和穩(wěn)定的能量耗散能力。
�。�2）因?yàn)榍s束支撐的剛度和強(qiáng)度很容易調(diào)整，所以屈曲約束支撐設(shè)計(jì)靈活，而且，在非彈性分析中可以方便地模擬屈曲約束支撐的滯回曲線；此外屈曲約束支撐構(gòu)件好比結(jié)構(gòu)體系中可更換的“保險(xiǎn)絲”，可保護(hù)其他構(gòu)件免遭破壞，并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐。
屈曲約束支撐體系在國(guó)外的研究與應(yīng)用日趨增多，特別是日本阪神大地震與美國(guó)北嶺地震后，在日本已經(jīng)在超過三百多幢建筑中應(yīng)用，在美國(guó)也有三十多幢。2005 年開始，我國(guó)在臺(tái)灣、北京、上海、西安與太原等地也有幾十幢建筑整體或局部采用了屈曲約束支撐構(gòu)件。
2 國(guó)內(nèi)屈曲約束支撐專利產(chǎn)品情況
國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了一些屈曲約束支撐構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)專利，但由于國(guó)內(nèi)應(yīng)用工程有限，大部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)專利還停留在技術(shù)環(huán)節(jié)，沒有轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。TJI 型屈曲約束支撐產(chǎn)品由同濟(jì)大學(xué)研發(fā)，并在 2007 年申請(qǐng)了國(guó)家產(chǎn)品設(shè)計(jì)專利，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其產(chǎn)品構(gòu)造的穩(wěn)定性與合理性。2008 年已經(jīng)在上海世博中心、山西賓利國(guó)際商務(wù)公寓等一批建筑上得到了實(shí)際應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)成熟的屈曲約束支撐構(gòu)件產(chǎn)品。TJI 型屈曲約束支撐的優(yōu)勢(shì)：
�。�1）TJI 型屈曲約束支撐在屈服前性能優(yōu)于普通支撐，表現(xiàn)為受壓承載力大大提高，屈曲后具有穩(wěn)定的拉壓滯回性能與耗能性能，與國(guó)外屈曲約束支撐性能相當(dāng)；
�。�2）TJI 型屈曲約束支撐價(jià)格遠(yuǎn)低于國(guó)外同類產(chǎn)品，且交貨期只有國(guó)外產(chǎn)品時(shí)間的一半。
TJI 屈曲約束支撐運(yùn)作模式如下：設(shè)計(jì)院根據(jù)產(chǎn)品列表進(jìn)行設(shè)計(jì)，如有超出范圍的特殊情況可以與產(chǎn)品供應(yīng)商聯(lián)系進(jìn)行定制；設(shè)計(jì)過程中可以聯(lián)系產(chǎn)品供應(yīng)商進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)配合與相關(guān)專業(yè)技術(shù)服務(wù)；承包方在采購(gòu)產(chǎn)品前，提供鋼結(jié)構(gòu)詳圖，用于確定支撐的精確長(zhǎng)度尺寸；各個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)商進(jìn)行產(chǎn)品報(bào)價(jià)投標(biāo)，承包方綜合考慮最終確定采購(gòu)供應(yīng)商；一般屈曲約束支撐構(gòu)件產(chǎn)品需要 3～6 個(gè)月的加工周期，所以在項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)候就需要進(jìn)行此產(chǎn)品招標(biāo)。其安裝時(shí)間一般在結(jié)構(gòu)封頂后，所以一般可以和項(xiàng)目周期可很好地配合。
3 屈曲約束支撐框架設(shè)計(jì)概念
3.1 屈曲約束支撐框架在彈性設(shè)計(jì)中造價(jià)更經(jīng)濟(jì)平面簡(jiǎn)化計(jì)算算例，框架跨度8m，層高3.6m。按8度設(shè)防考慮。結(jié)構(gòu)初始截面如下：框架梁HN646×299，框架柱：邊柱：HW458×417，中柱：HW502×470。采用普通支撐與屈曲約束支撐兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比。
普通支撐方案的截面：H300×220×14×14。屈曲約束支撐芯板截面面積160×16。平面普通支撐框架基本周期為1.68s，而屈曲約束支撐框架基本周期為2.06s。因而普通支撐框架地震力要大于屈曲約束支撐框架。以該平面框架為例，采用屈曲約束支撐后總用鋼量能節(jié)省10%左右。
通過平面算例的分析發(fā)現(xiàn)，采用屈曲約束支撐后結(jié)構(gòu)的地震力降低，所以結(jié)構(gòu)的用鋼量得到降低。而結(jié)構(gòu)的地震力為什么能夠降低呢？在跨度與層高較高的情況下，采用普通支撐由于穩(wěn)定系數(shù)及抗震規(guī)范8.2.6條規(guī)定的受循環(huán)荷載的強(qiáng)度降低系數(shù)，使得支撐的承載力大大降低。以平面框架示意圖第二層加粗示意支撐構(gòu)件為例，計(jì)算過程如下：
從計(jì)算過程可以看出，地震下強(qiáng)度與穩(wěn)定的安全度相差近4倍，即支撐在地震下的受壓承載力與受拉承載力相差近4倍。所以要滿足地震下的支撐不屈服要求，支撐的截面要求比較大。而由于支撐的截面加大，所以結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度就加大，周期就減小。
地震影響系數(shù)曲線結(jié)構(gòu)的周期加長(zhǎng)，其地震響應(yīng)力就減小，由中心支撐方案的1.68s（如上圖點(diǎn)1）加長(zhǎng)到屈曲約束支撐方案的2.06s（如上圖點(diǎn)2），地震響應(yīng)有很大的減低；由于一般情況下采用振型疊加方法，屈曲約束支撐方案的各階周期都有所加長(zhǎng)，所以地震力有所減小，減小幅度達(dá)到15%。由于結(jié)構(gòu)是地震工況控制，所以地震力減小后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面可以降低，最終降低造價(jià)10%左右。
再以上海世博中心為例，采用普通支撐結(jié)構(gòu)的整體性能與屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)比見表2。表中數(shù)值說明，普通支撐結(jié)構(gòu)的剛度明顯大于屈曲約束支撐，這是由于為了保證在設(shè)防烈度地震作用下支撐不失穩(wěn)，普通支撐的截面尺寸明顯加大（如 BRB 的截面面積為 0.0045m2，普通支撐的截面面積增大為 0.0384 m2，為 BRB 截面面積的 8.5 倍）。結(jié)構(gòu)剛度的增大使得地震作用下結(jié)構(gòu)吸收的地震力也顯著增大，表中數(shù)值為多遇地震下結(jié)構(gòu)的基底剪力，說明普通支撐結(jié)構(gòu)的地震力比屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)增大 24％～30%。普通支撐結(jié)構(gòu)的用鋼量與屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的比較見下表。兩者差別主要為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（框架柱和支撐）的鋼材用量（t），與屈曲約束支撐相比，普通支撐的總用鋼量多1014 t。
普通支撐結(jié)構(gòu)由于地震力的增大，不僅增大結(jié)構(gòu)用鋼量，同時(shí)也增加地基基礎(chǔ)、節(jié)點(diǎn)連接的費(fèi)用。此外罕遇地震作用下，普通支撐可能屈曲，抗震性能不易保證。普通支撐結(jié)構(gòu)和防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較可總結(jié)如下：
�。�1）對(duì)普通支撐結(jié)構(gòu)，大震作用下一旦支撐屈曲，結(jié)構(gòu)剛度迅速退化，大震作用下的抗震性能不易保證。
�。�2）普通支撐截面比防屈曲支撐大，結(jié)構(gòu)剛度明顯增大，常遇地震下地震力X、Y 向分別增大 30% , 24%。
�。�3）核心筒處柱腳支座豎向反力增大約 1.5～2.0 倍，需要增加 20％的抗壓樁，抗拔樁配筋增加，柱腳構(gòu)造措施抗拔承載力需提高。
�。�4）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（框架柱、梁及支撐）用鋼量增加約2000 噸，增加鋼結(jié)構(gòu)部分造價(jià) 2400萬。
由于地震的不確定性，很多已有建筑物需要進(jìn)行抗震加固，而抗震加固需要解決兩個(gè)問題：提高結(jié)構(gòu)剛度和延性。屈曲約束支撐特點(diǎn)正好可滿足，并且造價(jià)最為經(jīng)濟(jì)，一般可以節(jié)約30%～50%。美國(guó)華萊士班尼特聯(lián)邦大樓為建于上世紀(jì)60年代的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共六層，建筑面積30萬m2。經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較后發(fā)現(xiàn)，采用屈曲約束支撐加固后，比采用普通支撐相比，節(jié)約資金250萬美元，且縮短了工期。
3.2 屈曲約束支撐用在混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱層、加強(qiáng)層是很好的解決方案
上海虹橋樞紐車站項(xiàng)目地上6層，其中第1、2層為混凝土結(jié)構(gòu)，高12m，第3～6層為鋼結(jié)構(gòu)。由于建筑要求第1層的九根大柱到第2層抽掉了4根，柱距由9m變?yōu)?8m。所以在第二層形成了明顯的薄弱層，地震下層間位移不能滿足。如果單純?cè)黾恿褐�，由于抽掉的柱較多，幾乎是不可行的。唯一方案就是布置支撐，建筑要求可以加支撐的位置非常有限，而普通鋼支撐由于穩(wěn)定及循環(huán)荷載折減等問題，支撐截面需要比較大。經(jīng)過計(jì)算后，第二層的剛度增大太多，下面一層反而成了薄弱層，此外，由于普通鋼支撐加入后結(jié)構(gòu)剛度增大很多，地震力加大很多，構(gòu)件尺寸都需要放大很多，造價(jià)增加許多。經(jīng)多方案比較，采用屈曲約束支撐。
由于屈曲約束支撐沒有失穩(wěn)問題，其截面面積較小，剛度正好。支撐加上后一層與二層剛度接近，沒有薄弱層了。此外，地震力比普通支撐方案減少很多，造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)。通過彈塑性分析，其大震下性能也非常理想。工程最后選用16根650t的支撐及8根1000噸的屈曲約束支撐，工程正在實(shí)施。由于下端直接暴露在室內(nèi)，采用了鑄鋼銷軸連接，也解決了建筑美觀設(shè)計(jì)問題。
此外，本次汶川地震存在大量的混凝土框架破壞與倒塌，特別是很多底框的結(jié)構(gòu)，底層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，甚至倒塌。專家建議，增加底部剛度避免薄弱層，此外框架結(jié)構(gòu)只有一道防線，罕遇地震下可能存在倒塌危險(xiǎn)，如果在混凝土框架或底層結(jié)構(gòu)的下面1-2層采用屈曲約束支撐，可以形成屈曲約束支撐第一道防線進(jìn)行耗能，保護(hù)混凝土框架與上部結(jié)構(gòu)免于損失，是一種經(jīng)濟(jì)可行的好方法。
屈曲約束支撐也是加強(qiáng)層的一個(gè)很好的解決方案，對(duì)于高層結(jié)構(gòu)，一般會(huì)設(shè)置外伸桁架的加強(qiáng)層以控制結(jié)構(gòu)位移。外伸桁架的斜桿一般為支撐構(gòu)件，由于屈曲問題截面往往需要很大截面，采用屈曲約束支撐可以很好地解決這個(gè)問題。此外，其良好的耗能能力也大大地提高了大震下安全度。
3.3 屈曲約束支撐中震時(shí)只是屈曲約束支撐進(jìn)入塑性耗能，震災(zāi)后易修復(fù)；大震時(shí)其他構(gòu)件才進(jìn)入塑性，抗震性能可控。
以世博中心實(shí)際工程為例說明屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)構(gòu)基底剪力－位移關(guān)系如圖所示。圖中曲線表明，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后剛度逐漸下降，位移增大加快，表現(xiàn)出較好的延性。多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)保持彈性；設(shè)防烈度地震作用下，只有 BRB 構(gòu)件進(jìn)入屈服；罕遇地震作用下，框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服，但整體結(jié)構(gòu)不倒塌。通過合理設(shè)計(jì)，屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)保持彈性。中震作用下只屈曲約束支撐進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)主體仍然保持彈性，地震修復(fù)較為容易。大震作用下，由于屈曲約束支撐不會(huì)產(chǎn)生屈曲，產(chǎn)生較大塑性變形后仍然具有很高的承載力，因而結(jié)構(gòu)更加可靠。
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