基于剪力比的屈曲约束支撑
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基于剪力比的屈曲约束支撑 发布于:2018/05/25
    摘 要:基于剪力比的屈曲约束支撑作为一种抗震构件,目前已经得到广泛应用。以实际工程为例,分析了基于剪力比的屈曲约束支撑在混凝土框架结构中的具体应用,着重阐述了其设计要点,并对加设屈曲约束支撑前后的结构抗震性能的变化进行了比较。结果显示,基于剪力比的屈曲约束支撑在混凝土框架结构中的应用,能够明显改善建筑物的抗震性能。显示结果对基于剪力比的屈曲约束支撑的全面推广及应用具有重要意义,可以为相似的工程提供借鉴和指导。
  关键词:剪力比;屈曲约束支撑;混凝土框架结构;抗震性能
  中图分类号:TU375.4 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.034
  1 屈曲约束支撑框架的研究现状
  美国自从北岭地震之后就开始注重在工程中应用屈曲约束支撑。在大量理论论证和实践研究的基础之上,在2001年,北加州结构工程师协会与美国钢结构协会共同针对屈曲约束支撑进行了规定条文的编制工作,这项条文已经于2003年被联邦应急管理局纳入最新的抗震规定之中,同时也被最新版的《钢结构建筑抗震设计规程》收录。
  2004年,Kim等研究人员对屈曲约束支撑钢框架提出了一种新的基于位移的设计方法,这种方法中的建筑主体结构能够在地震的作用下依然保持弹性,可以通过屈曲约束支撑来有效承担侧方向的载荷,将多自由度的体系等同于等质量、阻尼比和刚度均相同的单自由体系,能够通过阻尼比来获得作用于主体结构的地震力。实践表明,采用该方法时,3~5层的屈曲约束支撑能够与建筑物的设计目标良好吻合,在实际中能够充分发挥其作用。
  国外对屈曲约束支撑的研究已经比较普遍,相比之下,国内相关研究较少。2005年,刘建彬在总结国外经验的基础上,结合我国建筑物建设规范,提出了一套直接基于位移的屈曲约束支撑钢框架结构简化设计方法。
  此方法首先按照大震标准设计,将遭遇大震时屈曲约束支撑的能耗转变为相等结构阻尼,通过对建筑物主体结构地震力的折减,来达到可靠支撑的设计目的。该方法缺点也十分明显,其设计思路是从大地震入手,与我国建筑物规范中的“小震设计,大震验算”的设计思路背道而驰,具体实施起来步骤繁杂,因此很难进行大规模的推广使用。
  2 屈曲约束支撑的作用机理
  作为抗震构件的一种,屈曲约束支撑在美国、日本等发达国家已经得到了广泛的应用。它的作用原理如下:在多遇地震的情况下,该构件处于弹性状态工作,与建筑物的普通支撑一样,提供抗侧刚度;而在遭遇罕见大地震的情况下,其又进入塑性状态工作,能够通过支撑线材的轴向伸缩变形来缓解地震的巨大输入能量,起到类似于“保险丝”的作用。屈曲约束支撑的使用,不仅能够有效地保护建筑物主体结构在遭遇罕见大地震时尽可能少地受到损坏,还可以增大结构阻尼,有效减小位移,从而达到更高水平的抗震目标,即“小震经济、中震不坏、大震易修、余震不倒”。屈曲约束支撑之前常被应用到钢结构工程之中,而在混凝土结构中的实际应用比较少。
  3 混凝土框架分析
  以某混凝土框架工程为例,该建筑共计5层,地上4层,地下1层,总建筑面积达3.0×104 m2,高度为31 m。该工程采用框架支撑体系,其中,支撑部分需要通过屈曲约束的方式得以实现,且该建筑物较大跨度的组件均采用钢架结构。另外,该工程中楼层高度不同,其所承载的负荷和结构刚度表现出明显的不规则性。因此,该建筑物可以采用基于剪力比的屈曲约束支撑方式,来明显改善建筑物整体的刚度分布,增强其抗震能力。
  方案之一:如果只采用混凝土框架结构,那么这个工程的抗侧刚度明显不足,不能够满足现阶段《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于建筑物的规定,也就是层间位移角应当小于1/550;如果一味增加建筑物柱子的横截面面积,就会进一步压缩整个建筑工程的利用空间,给工程带来不利影响。因此,此种方案缺陷较多,业主也不希望选择这种方案,单纯使用混凝土框架结构体系这条道路行不通。
  改良后的方案:如果在该工程的楼梯间部位添加相关的混凝土剪力墙,施工不仅严重影响了整个建筑物的外观结构,而且在地震灾害发生时,这种不对称的混凝土结构会使得建筑物整体扭曲变形,危险系数增加。
  综合以上因素,如果采用混凝土框架外加剪力墙的建筑方案,虽然能够在一定程度上改善整个建筑物的抗侧刚度,但是却会影响建筑物整体结构;如果完全采用之前常规的钢结构作为支撑,可以提高整个建筑工程的抗侧刚度,同时可以对建筑物在较大地震灾害中第一震型的扭转问题加以防止和修正。但此方案最大的问题是当地震灾害发生时,所采用的钢结构支撑框架会遭受到很大的来自轴向的应力作用,从而很容易出现应力屈服的现象。
  倘若要规避这种应力屈服现象的发生,可以采用增加钢结构支撑面横截面面积的简单做法,但这种做法会使得其刚度增大,造成钢架构支撑所承受的应力继续增加,对建筑物整体的抗震性能非常不利。如此大的钢截面支撑会影响整个建筑工程的美观度,同样也会严重影响整个建筑的使用功能。
  如果将这个建筑采用钢管作为支撑,由于建筑整体的混凝土架构,两者之间的紧密连接就会变得非常有难度,所以,如果建筑采用基于剪力比的屈曲约束支撑,相对而言比较适合该建筑工程项目。该技术不仅能够提升整个建筑物的抗侧刚度,改善扭转变形,还能够降低节点之间的剪力和轴力之间的相互作用,使得节点更加易于设计施工。设计基于剪力比的屈曲约束支撑时,首先应当对建筑工程整体的刚度需求有个总体的把握,根据符合规范要求的结构所需的抗侧刚度来确定建筑物屈曲约束支撑的横截面尺寸。当达到这一要求之后,还需要对支撑结构内部受力情况进行全面的分析,从而确定比较适宜的承载能力。模拟分析显示,当未采用屈曲约束支撑时,建筑整体抗侧刚度欠缺,层间位移角无法达到设计标准。当采用基于剪力比的屈曲约束支撑结构之后,性能指標全部达标,上部薄弱部分抗侧刚度也明显增加,有效减少整个建筑物的层架位移。
  4 结束语
  基于剪力比的屈曲约束支撑结构能够有效改善建筑物抗震能力,该支撑结构的广泛应用,既保证了建筑物的外观及相应的使用功能,同时还可以使得建筑物内部空间得以充分利用,加上既有抗震性能的提高,可以达到一箭三雕的效果。
  参考文献
  [1]王建华,于岩磊.带屈曲约束支撑的混凝土框架结构设计[J].建筑设计管理,2013(05):41-44.
  [2]刘毅强.屈曲约束支撑在混凝土框架结构中的工程应用[J].山西建筑,2016(33):41-43.
  〔编辑:刘晓芳〕作者:姚振道 来源:科技与创新
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