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屈曲支撑在某框架结构中的合理应用

作者:黄昌厚 李佩佩 来源:建材发展导向 论文栏目:建筑工程论文     更新时间:2019-01-12   浏览

黄昌厚李佩佩

摘 要:屈曲约束支撑作为一种新型抗震耗能构件,应用日渐广泛。以实际工程为例,文章详细介绍了屈曲约束支撑在混凝土框架结构设计中的布置原则及计算方法,着重阐述屈曲约束支撑在混凝土框架结构设计中的诸多要点,并对加设屈曲约束支撑前后结构抗震性能的变化进行对比分析。结果表明,在混凝土框架结构中设置一定数量的屈曲约束支撑,可有效改善建筑结构抗震性能。文章结果对屈曲约束支撑的推广应用具有积极的推动作用,可为相似工程的设计提供指导、借鉴。

关键词:屈曲约束支撑;混凝土框架结构;抗震性能;抗侧刚度;层间位移角

目前,我国抗震规范规定的结构抗震设防三个水准目标:“中震可修、小震不坏、大震不倒”是在1976年唐山地震后提出并在89抗震规范予以明确的规定,也是确保结构安全最基本的抗震性能化设计目标。

屈曲约束支撑作为一种抗震耗能构件,在日本、美国等国家应用已较为普遍,它是金属屈服耗能装置中的一种,在多遇地震作用下,它处于弹性范围,与主体结构共同组成竖向桁架体系,使整体结构具有足够的抗侧刚度;在大震作用下,随着结构侧向变形和层间位移的增大,將产生较大的阻尼消耗输入的地震能量,迅速衰减结构的振动反应,起到一定的“保险丝”作用,保护主体结构及构件在强震中免遭破坏。此类结构滞回耗能性能优良,施工安装方便、经济,在现今及未来的工程实际中将会有越来越多的应用。文章通过某实际工程,介绍了屈曲约束支撑在混凝土框架结构中诸多设计注意事项,可为今后相似工程的设计提供参考。

1 工程概况

本工程为某技术学院实训楼综合楼工程,总建筑面积32281.81m2,抗震设防烈度为7度,地上局部高层为9层,结构高度38.4m,建筑安全等级二级,设计使用年限为50年,根据《分类标准》,该工程属于乙类建筑,应按8度进行抗震计算和构造,高层框架抗震等级一级。

2 结构选型

笔者起初对于局部高层部分(已用抗震缝与其他多层部分分开)按普通混凝土框架进行设计,框架结构抗震等级一级,通过试算后发现柱子截面尺寸需要1~1.4m,对建筑使用空间的影响很大,并且柱子配筋十分困难,后又采用多种方案进行试算比对,现对几种初选方案进行简单归纳如下表1:

表1

结构方案结构

重量施工

速度小震性能大震性能

混凝土框架—剪力墙较重较慢剪力墙较少时容易超筋,当增加剪力墙至不超筋时结构布置影响建筑使用功能,结构刚度较大,不经济连梁及框架梁柱为主要耗能构件,修复困难

混凝土框架—普通支撑较轻较快结构刚度较大,扭转性能好普通支撑受压屈曲,框架梁柱易出现塑性铰

混凝土框架—屈曲约束支撑较轻较快结构刚度适中,扭转性能好,屈曲约束支撑布置灵活屈曲约束支撑为主要耗能构件,保护结构主要构件

混凝土框架轻较快结构刚度较小,结构体系无法满足规范要求框架梁柱为主要耗能构件,修复困难

通过以上比对能直观的看出采用混凝土框架-屈曲约束支撑的结构最为合理。

2.1 屈曲约束支撑设计方法

2.1.1 布置方式

屈曲约束支撑的立面示意图如下图1所示,布置位置可根据建筑平面灵活布置,也可放置于隔墙中,可根据平面交通的需要采用V形、人字形或单斜杆布置,不会对建筑的使用功能及外立面产生影响。

2.1.2 布置原则

屈曲约束支撑应布置在能最大限度地发挥其耗能作用的部位,同时又要兼顾建筑功能的使用要求,并满足结构整体受力的需要。屈曲约束支撑布置原则如下:

(1)地震作用下结构会产生较大支撑内力的部位。

(2)地震作用下层间位移较大的楼层。

(3)宜沿结构两个主轴方向分别布置。

2.2 计算方法

以SATWE为例,定义屈曲约束支撑的方法与定义普通钢支撑方法类似。首先初步拟定钢支撑芯材的等效截面面积,在斜杆布置中,选用正方形截面型式,按等效截面面积折算参数输入,将斜杆布置于相应位置处。定义完成后,进入SATWE前处理中选择“2.特殊构件补充”,检查屈曲约束支撑两端节点是否为铰接,如不是,需将支撑两端定义为铰接。之后,进入SATWE前处理的“生成SATWE数据文件及数据检查”项,检查完毕后进行结构内力、配筋计算,计算完毕后查看结构总体指标、结构构件承载力是否满足要求。

查看计算结果时,屈曲约束支撑的长细比会出现不满足要求的状况,由于屈曲约束支撑构件本身满足稳定性的要求,进行整体结构的计算时无需考虑其自身稳定问题,仅查看支撑构件强度是否满足承载力要求。

2.3 带屈曲约束支撑的框架结构设计要点

(1)调试支撑截面大小及数量:根据支撑成品的外观尺寸,在不影响建筑室内空间和使用功能要求前提下,初步确定芯材截面的等效截面面积,在PM里采用斜杆单元定义钢支撑构件,在平面相应位置布置一定数量的支撑,进行结构试算,如果层间位移角、周期比、刚度比等指标不满足规范要求,可采取改变支撑等效截面面积、增加支撑数量、改变支撑布置形式或改变平面布置位置等措施进行优化设计,直至各项指标满足规范要求。

(2)整体结构进行多遇地震计算时,结构的阻尼比取值不应大于0.045,或按混凝土框架部分和钢支撑部分在结构总变形能所占的比例折算为等效阻尼比。

(3)多遇地震作用计算时,结构弹性层间位移角宜控制在1/600~1/700;罕遇地震作用计算时,结构弹塑性层间位移角控制在1/80左右。需要注意的是,在进行罕遇地震作用下的弹塑性计算时,结构阻尼比应取0.0。

(4)支撑节点处框架梁梁宽不宜小于350mm,以方便安装节点板,且上下层的平面位置宜确保支撑中心线在一个竖向平面内。当上下层支撑中心线无法保证在一个竖向平面内时,中心线的间距不应大于柱宽的1/4。

(5)当门窗不能放置于支撑与梁、柱间的间隙时,支撑与门窗要注意避让,使之与门窗不在一个竖向平面内,该层上下梁宽需加大或偏移布置。当支撑斜杆轴线偏离混凝土柱轴线超过柱宽1/4时,柱计算时应考虑支撑引起的附加弯矩影响。

(6)支撑可嵌入填充墙内,但墙内的构造柱、圈梁等混凝土非主体受力构件的钢筋不应直接焊于支撑外层的钢套管上,可用钢构件做过度连接,同时支撑与墙体间设一定厚度的水泥砂浆保护层。

(7)支撑布置于楼梯间时,支撑与梯柱、梯梁应避开,方法有:①将人字支撑改成V形撑或单斜撑,同时调整梯柱、梯梁位置,使之与支撑错开;②加大梁宽,使支撑和梯柱、梯梁布置在两个竖向平面内。

3 结构总体指标对比

3.1 结构总质量

结构总质量基本一致,相差不超过1.5%,见下表3.1。

3.2 结构周期

结构前三个周期及平动扭转情况的计算结果如下表3.2所示:

3.3 结构位移角

在考虑双向地震作用时,纯框架模型:X向最大层间位移角为1/439(6层);Y向最大层间位移角为1/439(6层)。未满足《抗规》第5.5.1条规定的框架结构最大位移角1/550的限值。

而结构加了BRB模型后:X向最大层间位移角为1/610(6层);Y向最大层间位移角为1/603(6层)。均满足《抗规》第5.5.1条规定的框架结构最大位移角1/550的限值。

3.4 结构位移比

在考虑地震作用时,纯框架模型:X向最大层间位移比为1.13(2层);Y向最大层间位移比为1.12(2层)。BRB模型:X向最大层间位移角为1.10(2层);Y向最大层间位移角为1.11(2层)。

通过以上对比,可以看出纯框架结构方案在结构计算中主要存在如下问题:

(1)层间位移角过大,不满足规范1/550的限值要求。

(2)周期比稍大,扭转刚度偏小。

通过在X、Y向增设BRB(支撑的布置位置尽量不影响建筑),屈曲约束支撑方案达到以下效果:

(1)提高结构抗侧刚度,使层间位移角满足规范要求。

(2)由于支撑对撑布置,较大幅度增加了结构抗扭刚度,改善结构的扭转周期,进一步的降低了结构的周期比。

计算结果表明,在多遇地震作用下,采用屈曲约束支撑方案,结构抗侧及抗扭刚度得到提高,能够满足现行规范的各项指标控制要求。

4 对比结果

4.1 抗震性能

原有结构体系的特点为,建筑高宽比较大,抗侧刚度小,位移大,导致所需要的梁柱截面都会相应增加。混凝土框架屈曲约束支撑结构体系,质量轻,本身结构吸收的地震作用就比框架剪力墙结构小很多,因此,结构的梁柱截面也会相应减小很多,并且屈曲约束支撑,作为耗能构件率先屈服耗能,从而保护了主体框架梁柱不发生破坏,而屈曲约束支撑如果发生耗能破坏后,方便更换,保证结构可以继续安全使用。

混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系除了具有常规的框架-支撑结构体系的优点外,由于引入了耗能減震构件-屈曲约束支撑,还具有如下较为显著的特点:

对普通支撑结构,大震作用下一旦支撑屈曲,结构刚度迅速退化,大震作用下的抗震性能难以保证;由于普通支撑截面比屈曲约束支撑大,结构刚度明显增大,多遇地震下地震力也显著增大;普通支撑结构由于地震力的增大,不仅增大抗侧力结构(框架柱、梁及支撑)用钢量,同时也增加地基基础、节点连接的费用。

由于屈曲约束支撑可以不受稳定和长细比的限制,因此,采用屈曲约束支撑可任意调节结构的抗侧刚度来满足规范的要求;屈曲约束支撑在多遇地震作用下处于弹性工作状态,能够给结构提供抗侧刚度和抗扭刚度;在设防烈度地震甚至罕遇地震作用下,屈曲约束支撑的芯板进入屈服滞回耗能阶段,能够极大地耗散地震输入的能量,从而减小框架梁柱的塑性变形,保护梁柱不会发生大的破坏;强震后屈曲约束支撑检查、更换方便,便于建筑在大震后的迅速修复使用。

因此,框架-屈曲约束支撑体系具有很大的优势。

5 结语

文章通过某实际工程,介绍了耗能型屈曲约束支撑在混凝土框架结构设计中的应用,得到如下结论:

(1)加设屈曲约束支撑后,框架结构的整体抗侧刚度增大,弹性层间位移角及弹塑性层间位移角限值比框架结构宜适当提高。

(2)屈曲约束支撑可降低超长结构扭转变形对结构抗震性能的不利影响,改善混凝土纯框架结构的抗震性能,具有较好的社会和经济效益。

(3)对于建筑平面布置要求比较高,限定柱截面,无法满足框架剪力墙结构布置的结构,加设屈曲约束支撑是一个解决问题的途径。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部,GB 50223—2008,建筑抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] DBJ/CT105-2011.TJ屈曲约束支撑应用技术规程[S].2011

[3] 同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室,金属耗能减震技术设计手册(第五版).

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部,GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5] 中华人民共和国建设部,GB50017—2003,钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

作者简介:黄昌厚(1973- ),男,山东德州人,本科,德州市建筑规划勘察设计研究院,高级工程师;李佩佩(1986-),女,山东德州人,本科,德州市建筑规划勘察设计研究院,中级工程师。

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