屈曲约束支撑结构设计与应用研究

1、屈曲约束支撑结构设计与应用研究框架与框撑结构由于柱网开间大，建筑空间布置灵活，在多高层建筑中具有广泛应用。但框架的抗侧刚度有限，在地震和强风荷载作用下侧向位移较大，限制了它的应用高度或者导致应用造价高。此外，在这次汶川地震中也暴露了框架结构与底框结构一道防线在罕遇地震时存在较大的倒塌与严重破坏的可能。中心支撑与框架结合是一种高效的抗侧结构体系，可以提高框架的应用高度并有效降低结构造价，并可形成抗震的两道防线。然而在中震与大震下，中心支撑的受压屈服承载力远远小于受拉屈服承载力，支撑长度越长两者的差距越大，由于支撑屈曲后其耗能能力大大降低，所以为了保证中心支撑会受压不发生屈曲，故往往将其截面加大许

2、多以符合设计需求，但仍不能保证强震下的屈曲。1 屈曲约束支撑结构概念屈曲约束支撑在钢芯外设置外围约束套管，受拉受压时都可以屈服，抑制了压曲现象，可获得饱满的荷载-位移滞回曲线。屈曲约束支撑构件与框架结合不仅是一种高效的抗侧结构体系，并且是一种新型的耗能减震体系，在中震与大震下具有更好的抗震耗能性能。屈曲约束支撑体系与抗弯刚框架和普通支撑框架相比有以下优点：（1）与抗弯框架相比，小震时屈曲约束支撑体系线弹性刚度高，可以很容易地满足规范的变形要求，有效降低结构造价;与中心支撑框架相比，屈曲约束支撑可以受拉、受压时都发生屈服，消除传统中心支撑框架的支撑屈曲问题，因此在强震时有更强和稳定的能量耗散能力

3、。（2）因为屈曲约束支撑的刚度和强度很容易调整，所以屈曲约束支撑设计灵活，而且，在非弹性分析中可以方便地模拟屈曲约束支撑的滞回曲线；此外屈曲约束支撑构件好比结构体系中可更换的“保险丝”，可保护其他构件免遭破坏，并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑。屈曲约束支撑体系在国外的研究与应用日趋增多，特别是日本阪神大地震与美国北岭地震后，在日本已经在超过三百多幢建筑中应用，在美国也有三十多幢。2005 年开始，我国在台湾、北京、上海、西安与太原等地也有几十幢建筑整体或局部采用了屈曲约束支撑构件。2 国内屈曲约束支撑专利产品情况国内涌现了一些屈曲约束支撑构件产品设计专利，但由于国内应用工程有限，大部分产品

4、设计专利还停留在技术环节，没有转化为产品。TJI 型屈曲约束支撑产品由同济大学研发，并在 2007 年申请了国家产品设计专利，通过大量实验验证了其产品构造的稳定性与合理性。2008 年已经在上海世博中心、山西宾利国际商务公寓等一批建筑上得到了实际应用，成为国内第一个成熟的屈曲约束支撑构件产品。TJI 型屈曲约束支撑的优势：（1）TJI 型屈曲约束支撑在屈服前性能优于普通支撑，表现为受压承载力大大提高，屈曲后具有稳定的拉压滞回性能与耗能性能，与国外屈曲约束支撑性能相当；（2）TJI 型屈曲约束支撑价格远低于国外同类产品，且交货期只有国外产品时间的一半。TJI 屈曲约束支撑运作模式如下：设计院根据

5、产品列表进行设计，如有超出范围的特殊情况可以与产品供应商联系进行定制；设计过程中可以联系产品供应商进行节点设计配合与相关专业技术服务；承包方在采购产品前，提供钢结构详图，用于确定支撑的精确长度尺寸；各个产品供应商进行产品报价投标，承包方综合考虑最终确定采购供应商；一般屈曲约束支撑构件产品需要 36 个月的加工周期，所以在项目启动的时候就需要进行此产品招标。其安装时间一般在结构封顶后，所以一般可以和项目周期可很好地配合。3 屈曲约束支撑框架设计概念3.1 屈曲约束支撑框架在弹性设计中造价更经济平面简化计算算例，框架跨度8m，层高3.6m。按8度设防考虑。结构初始截面如下：框架梁HN646

6、5;299，框架柱：边柱：HW458×417，中柱：HW502×470。采用普通支撑与屈曲约束支撑两种结构方案进行对比。普通支撑方案的截面：H300×220×14×14。屈曲约束支撑芯板截面面积160×16。平面普通支撑框架基本周期为1.68s，而屈曲约束支撑框架基本周期为2.06s。因而普通支撑框架地震力要大于屈曲约束支撑框架。以该平面框架为例，采用屈曲约束支撑后总用钢量能节省10%左右。通过平面算例的分析发现，采用屈曲约束支撑后结构的地震力降低，所以结构的用钢量得到降低。而结构的地震力为什么能够降低呢？在跨度与层高较高的情况下，采

7、用普通支撑由于稳定系数及抗震规范条规定的受循环荷载的强度降低系数，使得支撑的承载力大大降低。以平面框架示意图第二层加粗示意支撑构件为例，计算过程如下：从计算过程可以看出，地震下强度与稳定的安全度相差近4倍，即支撑在地震下的受压承载力与受拉承载力相差近4倍。所以要满足地震下的支撑不屈服要求，支撑的截面要求比较大。而由于支撑的截面加大，所以结构的抗侧刚度就加大，周期就减小。地震影响系数曲线结构的周期加长，其地震响应力就减小，由中心支撑方案的1.68s（如上图点1）加长到屈曲约束支撑方案的2.06s（如上图点2），地震响应有很大的减低；由于一般情况下采用振型叠加方法，屈曲约束支撑方案的各阶周期都有所

8、加长，所以地震力有所减小，减小幅度达到15%。由于结构是地震工况控制，所以地震力减小后，结构构件的截面可以降低，最终降低造价10%左右。再以上海世博中心为例，采用普通支撑结构的整体性能与屈曲约束支撑结构的对比见表2。表中数值说明，普通支撑结构的刚度明显大于屈曲约束支撑，这是由于为了保证在设防烈度地震作用下支撑不失稳，普通支撑的截面尺寸明显加大（如 BRB 的截面面积为 0.0045m2，普通支撑的截面面积增大为 0.0384 m2，为 BRB 截面面积的 8.5 倍）。结构刚度的增大使得地震作用下结构吸收的地震力也显著增大，表中数值为多遇地震下结构的基底剪力，说明普通支撑结构的地震力比屈曲约束

9、支撑结构增大 2430%。普通支撑结构的用钢量与屈曲约束支撑结构的比较见下表。两者差别主要为抗侧力结构（框架柱和支撑）的钢材用量（t），与屈曲约束支撑相比，普通支撑的总用钢量多1014 t。普通支撑结构由于地震力的增大，不仅增大结构用钢量，同时也增加地基基础、节点连接的费用。此外罕遇地震作用下，普通支撑可能屈曲，抗震性能不易保证。普通支撑结构和防屈曲耗能支撑结构的技术经济性比较可总结如下：（1）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不易保证。（2）普通支撑截面比防屈曲支撑大，结构刚度明显增大，常遇地震下地震力X、Y 向分别增大 30% ， 24%。（3）

10、核心筒处柱脚支座竖向反力增大约 1.52.0 倍，需要增加 20的抗压桩，抗拔桩配筋增加，柱脚构造措施抗拔承载力需提高。（4）抗侧力结构（框架柱、梁及支撑）用钢量增加约2000 吨，增加钢结构部分造价 2400万。由于地震的不确定性，很多已有建筑物需要进行抗震加固，而抗震加固需要解决两个问题：提高结构刚度和延性。屈曲约束支撑特点正好可满足，并且造价最为经济，一般可以节约30%50%。美国华莱士班尼特联邦大楼为建于上世纪60年代的钢筋混凝土结构，共六层，建筑面积30万m2。经经济比较后发现，采用屈曲约束支撑加固后，比采用普通支撑相比，节约资金250万美元，且缩短了工期。3.2 屈曲约束支撑用在混

11、凝土结构的薄弱层、加强层是很好的解决方案上海虹桥枢纽车站项目地上6层，其中第1、2层为混凝土结构，高12m，第36层为钢结构。由于建筑要求第1层的九根大柱到第2层抽掉了4根，柱距由9m变为18m。所以在第二层形成了明显的薄弱层，地震下层间位移不能满足。如果单纯增加梁柱，由于抽掉的柱较多，几乎是不可行的。唯一方案就是布置支撑，建筑要求可以加支撑的位置非常有限，而普通钢支撑由于稳定及循环荷载折减等问题，支撑截面需要比较大。经过计算后，第二层的刚度增大太多，下面一层反而成了薄弱层，此外，由于普通钢支撑加入后结构刚度增大很多，地震力加大很多，构件尺寸都需要放大很多，造价增加许多。经多方案比较，采用屈曲

12、约束支撑。由于屈曲约束支撑没有失稳问题，其截面面积较小，刚度正好。支撑加上后一层与二层刚度接近，没有薄弱层了。此外，地震力比普通支撑方案减少很多，造价更加经济。通过弹塑性分析，其大震下性能也非常理想。工程最后选用16根650t的支撑及8根1000吨的屈曲约束支撑，工程正在实施。由于下端直接暴露在室内，采用了铸钢销轴连接，也解决了建筑美观设计问题。此外，本次汶川地震存在大量的混凝土框架破坏与倒塌，特别是很多底框的结构，底层结构破坏严重，甚至倒塌。专家建议，增加底部刚度避免薄弱层，此外框架结构只有一道防线，罕遇地震下可能存在倒塌危险，如果在混凝土框架或底层结构的下面1-2层采用屈曲约束支撑，可以形

13、成屈曲约束支撑第一道防线进行耗能，保护混凝土框架与上部结构免于损失，是一种经济可行的好方法。屈曲约束支撑也是加强层的一个很好的解决方案，对于高层结构，一般会设置外伸桁架的加强层以控制结构位移。外伸桁架的斜杆一般为支撑构件，由于屈曲问题截面往往需要很大截面，采用屈曲约束支撑可以很好地解决这个问题。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 屈曲约束支撑中震时只是屈曲约束支撑进入塑性耗能，震灾后易修复；大震时其他构件才进入塑性，抗震性能可控。以世博中心实际工程为例说明屈曲约束支撑结构在地震作用下的结构性能，结构基底剪力位移关系如图所示。图中曲线表明，结构进入塑性后刚度逐渐下降，位移增大加快，表现出较好的延性。多遇地震作用下，结构保持弹性；设防烈度地震作用下，只有 BRB 构件进入屈服；罕遇地震作用下，框架结构进入屈服，但整体结构不倒塌。通过合理设计，屈曲约束支撑结构在多遇地震作用下，结构保持弹性。中震作用下只屈曲