屈曲約束支撐應(yīng)用分析范文

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《建筑與預(yù)算雜志》2016年第二期

摘要：

屈曲約束支撐是一種新型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)用范圍廣，既可用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固改造中。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并分析了其在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：

屈曲約束支撐；既有建筑；新建建筑

屈曲約束支撐（buckling-restrainedbraces，簡(jiǎn)寫B(tài)RB）是指受壓時(shí)沒(méi)有屈曲發(fā)生的構(gòu)件，作為支撐或阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中使用。BRB是一種新型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其截面尺寸小，抗震能力強(qiáng)，不但能應(yīng)用于既有建筑的抗震加固改造，而且還可應(yīng)用于新建建筑，在建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮良好的節(jié)能減排作用。在既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固改造中，BRB表現(xiàn)出方便快捷的特點(diǎn)。

1國(guó)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況

由于BRB具有良好的抗震抗風(fēng)性能，在過(guò)去幾十年中，特別是近10年來(lái)，這種支撐在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用，如日本、美國(guó)、加拿大、新西蘭等。

1.1日本上世紀(jì)80年代，日本的Wakabayashi對(duì)BRB進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。在Wakabayashi的研究基礎(chǔ)上，Iwata對(duì)4種商用BRB進(jìn)行了研究。1995年，日本阪神大地震以后，高層鋼結(jié)構(gòu)中開(kāi)始廣泛采用BRB。目前，大部分專利權(quán)的制造廠商都集中在日本。BRB不僅用于新建結(jié)構(gòu)，而且還可用于已有結(jié)構(gòu)的抗震加固和改造中。阪神大地震是對(duì)各類結(jié)構(gòu)抗震性能的一次大檢驗(yàn)，在這之后，多個(gè)建筑的抗震加固選用了屈曲支撐。截至2005年底，日本新日鐵公司完成的190多項(xiàng)工程就采用了BRB。在日本，屋架、網(wǎng)架或網(wǎng)殼等空間結(jié)構(gòu)中也采用BRB。在屋架、網(wǎng)架或網(wǎng)殼中的局部受力較為不利位置，引入BRB構(gòu)件，將會(huì)改善結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高結(jié)構(gòu)承載力。例如，日本豐田市的巨蛋體育場(chǎng)，高度92m的斜張屋頂，使用了BRB作為耗能構(gòu)件。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低BRB的屈服強(qiáng)度可提高支撐的耗能能力，因此，制造BRB可采用低屈服強(qiáng)度鋼材，這使得低屈服強(qiáng)度的鋼材在日本得到了大量應(yīng)用。

1.2美國(guó)1995年，美國(guó)的Northridge地震以后，學(xué)者們對(duì)BRB的鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了研究和應(yīng)用。1999年，加州大學(xué)伯克利分校做了3個(gè)足尺BRB在地震荷載下的試驗(yàn)研究。美國(guó)CoreBrace公司做了40多個(gè)約束屈曲支撐試驗(yàn)，對(duì)約束屈曲支撐做了進(jìn)一步的研究和發(fā)展，并在多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用了屈曲約束支撐，如California’sOfficeofStatewideHealthPlanning（OSHPD）項(xiàng)目。2000年，美國(guó)第一棟使用BRB的結(jié)構(gòu)——美國(guó)加州大學(xué)Davis分校植物與環(huán)境科學(xué)大樓，采用了132根BRB作為抗側(cè)力構(gòu)件。之后，美國(guó)的StarSeismic，Inc，CoreBrace，AssociatedBracing等公司都相繼研究和發(fā)展BRB構(gòu)件。鑒于BRB鋼結(jié)構(gòu)體系的快速發(fā)展，在新修訂的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》中增加BRB鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)于BRB的設(shè)計(jì)、計(jì)算、試驗(yàn)方法、連接的做法等作了較詳細(xì)的規(guī)定。通過(guò)對(duì)十多種方案的比較，鹽城的標(biāo)志性建筑——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的聯(lián)邦大樓，最終決定采用鋼制的BRB進(jìn)行抗震加固改造。該加固工程使用了344根BRB。經(jīng)比較分析，采用普通軸心支撐，原有建筑的樁基礎(chǔ)必須經(jīng)過(guò)很大的改造；采用BRB，不僅可節(jié)省基礎(chǔ)改造費(fèi)用，而且可縮短兩個(gè)月工期，綜合效益顯著提高。

2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況

2.1臺(tái)灣臺(tái)北的陳正誠(chéng)對(duì)低屈服點(diǎn)鋼材制成的BRB的恢復(fù)力特性進(jìn)行了研究和分析。蔡克銓等人研究了10種不同無(wú)粘結(jié)材料對(duì)BRB滯回反應(yīng)的影響。1999年9月，臺(tái)灣集集地震（臺(tái)灣921地震）之后，對(duì)即將完成的臺(tái)北縣政府行政大樓進(jìn)行了重新的抗震驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)其抗震能力不足，通過(guò)多方案優(yōu)選比較，最終選擇加裝BRB來(lái)增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及耗能能力，同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。臺(tái)灣文化大學(xué)體育館也是使用BRB的工程之一，安裝了96個(gè)BRB來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。2000年后，采用了BRB的工程較多，新建工程有臺(tái)大醫(yī)院兒童醫(yī)療大樓、臺(tái)灣科技大學(xué)國(guó)際大樓等；加固工程有基隆某住宅大樓抗震加固、臺(tái)積電晶圈長(zhǎng)八號(hào)廠等。

2.2大陸大陸對(duì)BRB的研究還處于初步探索階段，早些的研究者主要側(cè)重介紹國(guó)外BRB的研究進(jìn)展和在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。近年來(lái)，王華琪探討了BRB的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并提出了BRB的計(jì)算和構(gòu)造要求。李國(guó)強(qiáng)提出了一種滯回模型，并建立了BRB的彈塑性剛度方程。羅開(kāi)海和王仁華對(duì)BRB進(jìn)行了有限元模擬分析，研究了BRB的受力性能。王秀麗等對(duì)帶BRB的新型框架滯回性能、不規(guī)則框架的抗震性能、鋼筋混凝土加層框架結(jié)構(gòu)減震性能、BRB在k8型單層落地橢球網(wǎng)殼中和單層組合橢球網(wǎng)殼的減震性能、適用于桿系結(jié)構(gòu)的屈曲約束支撐的有限元分析進(jìn)行了研究。李幗昌等對(duì)BRB-鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為BRB是一種解決結(jié)構(gòu)抗震性能問(wèn)題的新方法，具有變形能力強(qiáng)，滯回性能好、且能顯著提高建筑物的抗震性能等特點(diǎn)?；輰捥谩ⅫS斌等將BRB用于鋼框架結(jié)構(gòu)中，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，BRB在大震作用下能更加有效地保持結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，發(fā)揮鋼材屈服耗能的性能。曾榕等對(duì)多層屈曲約束支撐鋼框架靜動(dòng)力抗震性能進(jìn)行了研究。張志陽(yáng)針對(duì)不同BRB布置形式的框架進(jìn)行了比較分析。陳光熤提出了BRB的設(shè)計(jì)流程。謝強(qiáng)對(duì)不同剛度比下含有BRB框架的雙重結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了抗震性能分析和研究。李研對(duì)不同尺寸的BRB進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)，確定出合理構(gòu)造，并研究了BRB的滯回性能。大陸地區(qū)第一棟采用BRB進(jìn)行設(shè)計(jì)的高層建筑是北京威盛大廈，該工程采用了112個(gè)BRB，其內(nèi)芯均為十字型截面。為改善北京銀泰中心結(jié)構(gòu)的抗震性能，經(jīng)比較，采用了48個(gè)BRB代替鋼支撐。上海古北財(cái)富中心采用BRB-鋼框架結(jié)構(gòu)體系改善結(jié)構(gòu)抗震性能。廈門某學(xué)校教學(xué)樓采用BRB加固其原有結(jié)構(gòu)，僅需對(duì)梁柱進(jìn)行少量的加固就能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景分析

3.1開(kāi)發(fā)的必要性我國(guó)是多地震國(guó)家且擁有較長(zhǎng)的海岸線，地震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害對(duì)我國(guó)建筑的影響一直是工程界和學(xué)術(shù)界較為關(guān)注的方向。隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性要求越來(lái)越高，希望結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限或超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限后，在其使用階段遭遇罕遇地震時(shí)，建筑不倒塌或不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。目前，加強(qiáng)新建建筑抗震設(shè)計(jì)和加固改造已建建筑，已成為我國(guó)學(xué)術(shù)界和工程界在結(jié)構(gòu)節(jié)能減排領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。特別是我國(guó)經(jīng)歷四川汶川大地震后，一些地區(qū)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有了比較大的提高，相應(yīng)的建筑需要抗震加固改造，把BRB作為支撐或阻尼器使用在建筑結(jié)構(gòu)中,其市場(chǎng)需求量巨大。目前，BRB在國(guó)外發(fā)展迅速，在新建工程和加固改造工程中應(yīng)用也較廣泛。而我國(guó)研究起步較晚，盡管有少數(shù)工程應(yīng)用了這類技術(shù)，但由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)壁壘及缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，限制了其發(fā)展。因此，需利用我國(guó)鋼鐵資源開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BRB，并將其推廣。

3.2BRB用于工程的優(yōu)點(diǎn)BRB用于新建工程，可提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，減少混凝土的用量，即節(jié)省砂、石、水泥等。這不僅能直接減少工程建設(shè)的投資，而且可節(jié)約能源和自然資源，保護(hù)環(huán)境，減少污染。BRB用于抗震加固和改造，因其自重輕，一般不需對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行處理而減少直接投資；因其安裝方便，可以采用螺栓連接，一般不需現(xiàn)場(chǎng)焊接，這可節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，減少污染。

3.3帶動(dòng)其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展BRB的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也可以帶動(dòng)一系列其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。開(kāi)發(fā)BRB，能為鋼結(jié)構(gòu)制造加工業(yè)開(kāi)辟新的產(chǎn)品和市場(chǎng)，為我國(guó)低屈服強(qiáng)度鋼提供新的應(yīng)用領(lǐng)域，為既有建筑結(jié)構(gòu)加固改造提供新的思路和方法。

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作者：昌永紅 單位：遼寧建筑職業(yè)學(xué)院