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屈曲约束支撑应用分析

2016/04/14 阅读:

《建筑与预算杂志》2016年第二期

摘要:

屈曲约束支撑是一种新型的结构构件,应用范围广,既可用于新建建筑,也可用于既有建筑的抗震加固改造中。本文对国内外研究现状及应用情况进行了简要介绍,并分析了其在国内开发应用前景。

关键词:

屈曲约束支撑;既有建筑;新建建筑

屈曲约束支撑(buckling-restrainedbraces,简写BRB)是指受压时没有屈曲发生的构件,作为支撑或阻尼器在建筑结构中使用。BRB是一种新型的结构构件,其截面尺寸小,抗震能力强,不但能应用于既有建筑的抗震加固改造,而且还可应用于新建建筑,在建筑结构中发挥良好的节能减排作用。在既有建筑结构的抗震加固改造中,BRB表现出方便快捷的特点。

1国外研究现状及应用情况

由于BRB具有良好的抗震抗风性能,在过去几十年中,特别是近10年来,这种支撑在国外得到了广泛的应用,如日本、美国、加拿大、新西兰等。

1.1日本上世纪80年代,日本的Wakabayashi对BRB进行了相关的试验研究。在Wakabayashi的研究基础上,Iwata对4种商用BRB进行了研究。1995年,日本阪神大地震以后,高层钢结构中开始广泛采用BRB。目前,大部分专利权的制造厂商都集中在日本。BRB不仅用于新建结构,而且还可用于已有结构的抗震加固和改造中。阪神大地震是对各类结构抗震性能的一次大检验,在这之后,多个建筑的抗震加固选用了屈曲支撑。截至2005年底,日本新日铁公司完成的190多项工程就采用了BRB。在日本,屋架、网架或网壳等空间结构中也采用BRB。在屋架、网架或网壳中的局部受力较为不利位置,引入BRB构件,将会改善结构的受力状况,提高结构承载力。例如,日本丰田市的巨蛋体育场,高度92m的斜张屋顶,使用了BRB作为耗能构件。研究发现,适当降低BRB的屈服强度可提高支撑的耗能能力,因此,制造BRB可采用低屈服强度钢材,这使得低屈服强度的钢材在日本得到了大量应用。

1.2美国1995年,美国的Northridge地震以后,学者们对BRB的钢结构体系进行了研究和应用。1999年,加州大学伯克利分校做了3个足尺BRB在地震荷载下的试验研究。美国CoreBrace公司做了40多个约束屈曲支撑试验,对约束屈曲支撑做了进一步的研究和发展,并在多个项目中应用了屈曲约束支撑,如California’sOfficeofStatewideHealthPlanning(OSHPD)项目。2000年,美国第一栋使用BRB的结构——美国加州大学Davis分校植物与环境科学大楼,采用了132根BRB作为抗侧力构件。之后,美国的StarSeismic,Inc,CoreBrace,AssociatedBracing等公司都相继研究和发展BRB构件。鉴于BRB钢结构体系的快速发展,在新修订的《钢结构建筑抗震设计规程》中增加BRB钢结构设计的内容,对于BRB的设计、计算、试验方法、连接的做法等作了较详细的规定。通过对十多种方案的比较,盐城的标志性建筑——钢筋混凝土结构的联邦大楼,最终决定采用钢制的BRB进行抗震加固改造。该加固工程使用了344根BRB。经比较分析,采用普通轴心支撑,原有建筑的桩基础必须经过很大的改造;采用BRB,不仅可节省基础改造费用,而且可缩短两个月工期,综合效益显著提高。

2国内研究现状及应用情况

2.1台湾台北的陈正诚对低屈服点钢材制成的BRB的恢复力特性进行了研究和分析。蔡克铨等人研究了10种不同无粘结材料对BRB滞回反应的影响。1999年9月,台湾集集地震(台湾921地震)之后,对即将完成的台北县政府行政大楼进行了重新的抗震验算,发现其抗震能力不足,通过多方案优选比较,最终选择加装BRB来增加结构的抗侧刚度及耗能能力,同时,提高结构的抗震等级。台湾文化大学体育馆也是使用BRB的工程之一,安装了96个BRB来提高结构的抗震性能。2000年后,采用了BRB的工程较多,新建工程有台大医院儿童医疗大楼、台湾科技大学国际大楼等;加固工程有基隆某住宅大楼抗震加固、台积电晶圈长八号厂等。

2.2大陆大陆对BRB的研究还处于初步探索阶段,早些的研究者主要侧重介绍国外BRB的研究进展和在实际工程中的应用情况。近年来,王华琪探讨了BRB的设计要点,并提出了BRB的计算和构造要求。李国强提出了一种滞回模型,并建立了BRB的弹塑性刚度方程。罗开海和王仁华对BRB进行了有限元模拟分析,研究了BRB的受力性能。王秀丽等对带BRB的新型框架滞回性能、不规则框架的抗震性能、钢筋混凝土加层框架结构减震性能、BRB在k8型单层落地椭球网壳中和单层组合椭球网壳的减震性能、适用于杆系结构的屈曲约束支撑的有限元分析进行了研究。李帼昌等对BRB-钢管高强混凝土结构的抗震性能进行了研究,认为BRB是一种解决结构抗震性能问题的新方法,具有变形能力强,滞回性能好、且能显著提高建筑物的抗震性能等特点。惠宽堂、黄斌等将BRB用于钢框架结构中,经研究发现,BRB在大震作用下能更加有效地保持结构的抗侧刚度,发挥钢材屈服耗能的性能。曾榕等对多层屈曲约束支撑钢框架静动力抗震性能进行了研究。张志阳针对不同BRB布置形式的框架进行了比较分析。陈光熤提出了BRB的设计流程。谢强对不同刚度比下含有BRB框架的双重结构体系进行了抗震性能分析和研究。李研对不同尺寸的BRB进行反复加载试验,确定出合理构造,并研究了BRB的滞回性能。大陆地区第一栋采用BRB进行设计的高层建筑是北京威盛大厦,该工程采用了112个BRB,其内芯均为十字型截面。为改善北京银泰中心结构的抗震性能,经比较,采用了48个BRB代替钢支撑。上海古北财富中心采用BRB-钢框架结构体系改善结构抗震性能。厦门某学校教学楼采用BRB加固其原有结构,仅需对梁柱进行少量的加固就能显著提高结构的抗震性能。

3开发应用前景分析

3.1开发的必要性我国是多地震国家且拥有较长的海岸线,地震和飓风等自然灾害对我国建筑的影响一直是工程界和学术界较为关注的方向。随着社会的进步,经济水平的提高,人们对建筑结构的安全性要求越来越高,希望结构在设计使用年限或超过设计使用年限后,在其使用阶段遭遇罕遇地震时,建筑不倒塌或不发生危及生命的严重破坏。目前,加强新建建筑抗震设计和加固改造已建建筑,已成为我国学术界和工程界在结构节能减排领域的一个研究热点。特别是我国经历四川汶川大地震后,一些地区的抗震设防标准有了比较大的提高,相应的建筑需要抗震加固改造,把BRB作为支撑或阻尼器使用在建筑结构中,其市场需求量巨大。目前,BRB在国外发展迅速,在新建工程和加固改造工程中应用也较广泛。而我国研究起步较晚,尽管有少数工程应用了这类技术,但由于知识产权的技术壁垒及缺乏相应的技术规范,限制了其发展。因此,需利用我国钢铁资源开发出拥有自主知识产权的BRB,并将其推广。

3.2BRB用于工程的优点BRB用于新建工程,可提高结构的刚度和强度,减少混凝土的用量,即节省砂、石、水泥等。这不仅能直接减少工程建设的投资,而且可节约能源和自然资源,保护环境,减少污染。BRB用于抗震加固和改造,因其自重轻,一般不需对地基基础进行处理而减少直接投资;因其安装方便,可以采用螺栓连接,一般不需现场焊接,这可节约能源,保护环境,减少污染。

3.3带动其它产业的发展BRB的开发和应用也可以带动一系列其他产业的发展。开发BRB,能为钢结构制造加工业开辟新的产品和市场,为我国低屈服强度钢提供新的应用领域,为既有建筑结构加固改造提供新的思路和方法。

参考文献:

[1]孔祥雄.新型屈曲约束支撑抗震性能研究[D].北京:中国建筑科学研究院,2009.

[2]王秀丽,蔡建辉.带BRB的不规则框架抗震性能研究[J].甘肃科学学报,2010(3):112-116.

[3]樊晓丽.带BRB的钢筋混凝土加层框架结构减震性能分析[D].兰州:兰州理工大学,2012.

[4]李帼昌,张迎,高成富,等.BRB-钢管高强混凝土结构的抗震性能分析[J].沈阳工业大学学报,2012(5):591-595,600.

[5]惠宽堂,黄斌.BRBFs的抗震性能分析[J].四川建筑科学研究,2012(03):198-202.

[6]李俞谕,肖岩.屈曲约束支撑的研究现状及应用[J].工业建筑,2007,37(21):658-662.

[7]曾榕,包思和.多层屈曲约束斜撑钢框架静动力抗震设计[J].广西大学学报(自然科学版),2012(4):690-697.

作者:昌永红 单位:辽宁建筑职业学院

屈曲约束支撑应用分析

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