防屈曲支撐體系的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

朱 江

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110005)

防屈曲支撐體系的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

朱 江

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110005)

介紹了防屈曲支撐的基本原理與組成和研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了其優(yōu)缺點(diǎn),展望了應(yīng)用前景,提出了需進(jìn)一步研究的問題.

防屈曲支撐;減震;應(yīng)用

在抗震設(shè)防區(qū)建造的建筑都要考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能,結(jié)構(gòu)設(shè)計時還需要考慮抗風(fēng)性能.鋼支撐框架結(jié)構(gòu)自重輕,在地震作用下,結(jié)構(gòu)所受的地震力相對較小,因此被廣泛應(yīng)用于抗震設(shè)防區(qū)的多、高層結(jié)構(gòu)中.但傳統(tǒng)的鋼支撐在中震或大震作用下往往會發(fā)生整體失穩(wěn)或局部屈曲,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力顯著降低,影響結(jié)構(gòu)的抗震安全性,為防止失穩(wěn)或屈曲,往往需要加大支撐的斷面以滿足設(shè)計要求,從而降低了其經(jīng)濟(jì)性.因此,國外一些研究者開發(fā)出一種受壓時不發(fā)生屈曲的構(gòu)件,稱為防屈曲支撐(Buckling-Restrained Braces,簡稱BRB),或者無粘結(jié)支撐(Unbonded Brace,簡稱UBB),以改善和提高鋼支撐的受力性能.由于防屈曲支撐良好的抗震性能,其在日本、美國、加拿大、中國臺灣等地得到了廣泛的應(yīng)用,而中國大陸在這方面的研究還處于起步階段.

1 防屈曲支撐的形式

目前,在結(jié)構(gòu)中大量使用的BRB,主要是以鋼管或混凝土作為約束構(gòu)件的管式防屈曲支撐.圖1給出幾種典型的防屈曲支撐的截面形狀[1].

圖1 防屈曲支撐的典型截面形狀

2 防屈曲支撐的基本原理和組成

2.1 防屈曲支撐的基本原理[2,3]

圖2為BRB的原理圖[4],不論BRB為何種形式,其受力原理基本相同:支撐在結(jié)構(gòu)中起承擔(dān)軸向力的作用,支撐的中心是芯材,軸向力全部由芯材承受;為避免芯材在受壓時屈曲,即在受壓性狀與受拉時一樣,芯材放置在一個約束單元中提供給彎曲限制;為確保外圍約束單元既不傳遞軸向載荷又能保持對芯材的有效約束,芯材表面涂刷無粘結(jié)涂層和設(shè)置必要的間隙.蒙特利爾伊科爾工學(xué)院做過相同截面面積的普通支撐和防屈曲支撐的對比試驗(yàn),實(shí)測的支撐滯回曲線見圖3[5].

圖2 防屈曲支撐原理圖

圖3 普通支撐與BRB的支撐滯回曲線比較

2.2 防屈曲支撐的組成

常用的防屈曲支撐主要由以下5個部分組成(圖4):約束屈服段;約束非屈服段;無約束非屈服段;無粘結(jié)可膨脹材料;屈曲約束機(jī)構(gòu)[6].

約束屈服段和約束非屈服段用來承受軸向荷載;屈曲約束機(jī)構(gòu)環(huán)包在周圍以防止約束屈服段和約束非屈服段的屈曲;無約束非屈服段在核心段的兩端并且伸出屈曲約束機(jī)構(gòu),用來連接防屈曲支撐和框架結(jié)構(gòu);無粘結(jié)可膨脹材料用以分離核心構(gòu)件和屈曲約束機(jī)構(gòu).在核心構(gòu)件和屈曲約束機(jī)構(gòu)之間應(yīng)該保留一定的空隙,以避免二者之間的相互作用.

圖4 防屈曲支撐的組成

3 防屈曲支撐體系(BRB F)的優(yōu)缺點(diǎn)

與抗彎鋼框架和普通支撐框架相比,BRBF有以下幾個優(yōu)點(diǎn)[3]:

①小震時BRBF線彈性剛度高,很容易滿足規(guī)范的變形要求;②由于可以受拉及受壓屈服, BRBF消除了傳統(tǒng)中心支撐框架的支撐屈曲問題,因此在強(qiáng)震時有更強(qiáng)和更穩(wěn)定的耗能能力;③BRB通過螺栓或鉸連接到節(jié)點(diǎn)板,避免現(xiàn)場焊接及檢測,安裝方便且經(jīng)濟(jì);④支撐構(gòu)件可保護(hù)其他構(gòu)件免遭破壞,并且大震后,可以方便更換損壞的支撐;⑤BRBF的設(shè)計很靈活.在非彈性分析中可以方便地模擬BRB的滯回曲線;⑥在抗震加固中,BRBF比傳統(tǒng)支撐系統(tǒng)更有優(yōu)越性,因?yàn)槟芰υO(shè)計會使后者的地基費(fèi)用更貴;⑦在柱截面面積相同、相近的情況下,BRBF構(gòu)件的承載力不小于同類的構(gòu)件,從技術(shù)角度保證了結(jié)構(gòu)的可行性;⑧BRB是非承重構(gòu)件,對結(jié)構(gòu)的承載力和安全性不構(gòu)成影響;⑨BRB在新建建筑中的使用可以避免在已有建筑中使用BRB進(jìn)行抗震加固時對已有建筑的損傷.

BRBF的缺點(diǎn)有:

①大部分的BRB的技術(shù)均為私人擁有,不公開;②若控制不好,芯材的屈服強(qiáng)度變化范圍很寬;③BRB的施工技術(shù)要求很高,特別是對于采用鉸連接的BRB;④強(qiáng)震后,BRB的永久變形大;⑤需要給出各種BRB的施工、檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn).

4 國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

防屈曲支撐起源于日本,日本的防屈曲支撐最初的設(shè)計形式:Wakabayashi將鋼板支撐夾在一對預(yù)應(yīng)力混凝土板之間[7],并進(jìn)行了構(gòu)件試驗(yàn)以檢驗(yàn)剛度和強(qiáng)度,子系統(tǒng)試驗(yàn)和系統(tǒng)試驗(yàn).1988年Fujimoto對芯材和鋼管間添加砂漿的UBB進(jìn)行了多項(xiàng)研究[8],得到了鋼套管的剛度和強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則.2000年 Iwata等對日本四種產(chǎn)品的防屈曲支撐的商業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了研究[9].1981年,印度也進(jìn)行過相關(guān)研究.

美國自Northridge地震后開始在工程中應(yīng)用這種支撐,并按支撐的受力特點(diǎn)稱之為Bucklingrestrained Brace(簡稱BRB).1999年Clark在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了三個大比例防屈曲支撐的試驗(yàn)[1].在理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,2001年由北加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會聯(lián)合美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會和加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會,特別針對防屈曲支撐編制了推薦規(guī)定條文 (Recommended Bucklingrestrained Braced Frame Provisions)[10],該條文在2003年被聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)納入其抗震規(guī)定FEMA450中.并被收錄進(jìn)最新修訂的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計規(guī)程》中[11].

BRB不僅可以用于新建結(jié)構(gòu),而且還可以用于己有結(jié)構(gòu)的抗震加固和改造.位于美國鹽湖城的聯(lián)邦大樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).根據(jù)新的研究,必須對其進(jìn)行抗震加固.通過對結(jié)構(gòu)的非線性分析和有限元分析的優(yōu)選比較后,加固工程最終使用了344根防屈曲支撐.該工程被評為猶他州2002年度優(yōu)秀工程[12].2006年 Ishii Takumi對BRB在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固中可行性和支撐與梁、柱的連接方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[13].2008年Bosco.M對防屈曲支撐在已有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中加固設(shè)計方法進(jìn)行了研究[14].

4.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

BRB在國內(nèi)的研究剛剛開始.文獻(xiàn)[15]結(jié)合我國的規(guī)范,研究了BRB力學(xué)性能的影響因素,對這種支撐在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行了探討.文獻(xiàn)[16]對BRB構(gòu)件的組成進(jìn)行了理論研究,對單層單跨的鋼框架、普通支撐框架和防屈曲鋼框架進(jìn)行了單向極限承載力和滯回性能的對比研究,研究了多層防屈曲支撐鋼框架的動力性能等.文獻(xiàn)[17]對“一”字矩形圓套管和雙套管型BRB進(jìn)行了有限元分析,確定這兩種支撐的滯回關(guān)系和耗能性能,并討論不同的支撐布置方式對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.文獻(xiàn)[18,19]對BRB在單層網(wǎng)殼和柱面網(wǎng)殼大跨鋼結(jié)構(gòu)中的減震效果進(jìn)行了分析研究.文獻(xiàn)[20]對BRB在鋼筋混凝土框架中的設(shè)計方法進(jìn)行了研究,并探討了BRB布置方式對結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展的影響.文獻(xiàn)[21]對用低屈服點(diǎn)鋼材(名義 fy=100 MPa)制成的BRB的恢復(fù)力特性進(jìn)行了研究;2002年臺灣大學(xué)蔡克銓教授提出了一種雙鋼管雙 T型板的支撐,并且對裝有該種支撐的1/2縮尺構(gòu)架進(jìn)行了試驗(yàn)[22].2005年蔡克銓等人對雙核心全鋼型屈曲約束支撐進(jìn)行了研究,同時蔡克銓等人嘗試開發(fā)可拆性BRB[23].文獻(xiàn)[24]提出含屈曲約束支撐框架的設(shè)計與分析流程.

5 國內(nèi)外應(yīng)用情況

目前國內(nèi)外建筑界對防屈曲支撐框架設(shè)計缺乏系統(tǒng)的理論分析和相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo),但很多工程已經(jīng)開始使用了這種結(jié)構(gòu).日本已有250棟建筑、美國有50棟已建和在建的建筑使用了這種體系(主要在加州地區(qū))[24].

5.1 國外部分應(yīng)用實(shí)例

日本大阪國際會議中心大樓抗側(cè)力系統(tǒng)選用了數(shù)百個此種支撐,最長的支撐長達(dá)22 m.高度為72 m的橫浜伊勢佐木町華盛頓旅館中采用了平板鋼防屈曲支撐體系.塔庫馬本部辦公大樓高度為43 m,采用了H形鋼防屈曲支撐體系.日本大阪的一座高層建筑物也采用了這種支撐作為其抗側(cè)力體系的一部分.

美國鹽湖城瓦雷斯.本內(nèi)特聯(lián)邦大樓抗震加固工程中采用了十字形BRB體系[12].

5.2 國內(nèi)部分應(yīng)用實(shí)例

自從1999年臺灣集集地震以后,BRB的研究和應(yīng)用開始在臺灣大量開展,現(xiàn)在臺灣已經(jīng)成為使用BRB最廣泛的地區(qū)之一.圖5是BRB在臺灣臺北縣政府大樓應(yīng)用實(shí)例.

圖5 臺灣臺北縣政府大樓[16]

在大陸,BRB的應(yīng)用比較少,盛威大廈是大陸第一棟采用BRB進(jìn)行設(shè)計的高層建筑.北京通用國際時代廣場是高103 m的鋼結(jié)構(gòu)建筑,考慮地處8度設(shè)防區(qū),設(shè)計中采用了延性較好的框筒結(jié)構(gòu),偏心鋼支撐及其首次使用的防屈曲支撐[25].

6 結(jié)論與展望

防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系是一種非常有前景的新型結(jié)構(gòu)體系.從目前國內(nèi)外許多成功的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用來看,防屈曲支撐不僅提高了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,而且具有優(yōu)異的滯回特性及很好的抗低周疲勞性能,抑制了普通的支撐的壓曲現(xiàn)象.另外防屈曲支撐為建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和抗震加固與改造提供了一種新的選擇.但目前這類支撐的技術(shù)大部分掌握在國外私人手中不予公開,而我國又是一個多地震國家,70%以上的大中城市位于抗震設(shè)防區(qū).因此,加強(qiáng)實(shí)用新型的防屈曲支撐的研制與應(yīng)用就顯得格外迫切.為使防屈曲支撐在實(shí)際的工程中得到廣泛應(yīng)用,尚應(yīng)對以下問題進(jìn)一步研究.

①對現(xiàn)有防屈曲支撐進(jìn)行改進(jìn),完善其功能,研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的符合我國國情的實(shí)用防屈曲支撐;制定防屈曲支撐各種性能指標(biāo)要求.②制定出適用于我國抗震要求的防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系的分析與設(shè)計方法,特別是BRB在結(jié)構(gòu)中的布置方法,以滿足廣大設(shè)計人員的要求.③積極開展結(jié)構(gòu)加固時防屈曲耗能支撐的安裝、施工、檢測、驗(yàn)收及維修等方面的研究,并盡快編制相關(guān)設(shè)計規(guī)范或規(guī)程,修訂相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工法,以規(guī)范和促進(jìn)防屈曲支撐在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用.④防屈曲支撐具有優(yōu)良的消能減震性能,但其與主體結(jié)構(gòu)的連接部分是這種新型體系在抗震中的薄弱環(huán)節(jié).如何保證BRB的節(jié)點(diǎn)設(shè)計在地震中不發(fā)生破壞,是當(dāng)前BRBF設(shè)計和施工中需要解決的重要課題之一.

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Present Research and Application of Buckling-Restrained Brace

ZHU Jiang
(School of Architectural&Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110005,China)

The basic principles and the composition of BRB are introduced,as well as the present research and application.The strengths and weaknesses are analyzed.The future prospects of the application and further study are put forward.

buckling-restrained brace;seismic mitigation;application

TU 318

A

【責(zé)任編輯 李 艷】

1008-9225(2010)02-0035-04

2009-09-17

朱 江(1974-),男,湖南武崗人,沈陽大學(xué)講師,大連理工大學(xué)博士研究生.