屈曲约束支撑 (BRB) 作为一种新型的耗能减震支撑, 在我国建筑工程中已得到广泛应用, 并取得了良好的社会效益与经济效益。在设防烈度地震 (中震) 和罕遇烈度地震 (大震) 下, 屈曲约束支撑能率先进入屈服耗能状态, 可保护其他结构构件处于弹性状态, 起到结构保险丝的作用。

屈曲约束支撑的最大优点是其自身的承载力与刚度的分离。普通钢支撑因需要考虑其自身的稳定性, 使截面和支撑刚度过大, 从而导致结构的刚度过大, 间接造成地震力过大, 形成了不可避免的恶性循环。选用屈曲约束支撑可避免此类现象, 在没有大幅增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力和变形的要求。屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力, 在中、大震作用下可起到“保险丝”的作用, 用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏, 并且大震后, 可以方便地更换损坏支撑。本文基于2种支撑的特点, 结合工程实例, 研究2种支撑在框架结构加固改造中的应用。

某综合楼地上12层, 结构高度39.75m, 框架结构。该楼于2005年建成并投入使用, 由于企业搬迁, 该楼被邻近中学购买用作教学楼。标准层平面对称布置, 如图1所示, BRB布置如图2所示 (图2中斜向支撑均为BRB) 。原综合楼抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, Ⅱ类场地。由于大楼的使用性质发生了改变, 根据GB50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》的相关规定, 教学楼为重点设防类建筑 (乙类) , 为提高结构的安全性能, 建筑抗震措施提高1度, 必须对结构抗震体系进行加固。

GB50011—2010《建筑抗震设计规范》^[2]第5.5.1条规定, 对于弹性层间位移角限值, 钢筋混凝土框架结构为1/550。用PKPM对未加支撑结构进行建模并计算后, 得出在多遇地震作用下结构基底剪力和层间位移角, 得出未加支撑结构在多遇地震作用下, 部分层间位移角超限, 结构抗侧刚度不足。

在方案论证阶段, 为了提高上部结构的抗侧刚度, 减少湿作业量, 使结构整体刚度分布更加均匀^[1], 对未加支撑、普通钢支撑加固和屈曲约束支撑加固3种方案进行对比分析。屈曲约束支撑和普通钢支撑均能为结构提供一定抗侧刚度, 但由于屈曲约束支撑不会失稳, 其截面小于普通钢支撑。屈曲约束支撑核心耗能构件滞回曲线饱满, 在中、大震下, 支撑能率先屈服耗能, 减小结构构件损伤。普通钢支撑在中、大震作用下, 极易发生失稳, 使结构抗侧刚度迅速降低, 导致其他结构构件破坏。

普通钢支撑若在大震作用下不屈服, 支撑的刚度比屈曲约束支撑的刚度大很多, 使结构整体刚度增加非常大, 也大大增加了地震对结构的影响效应。大震作用下, 计算发现布置普通钢支撑时, 结构许多楼层绝大部分框架柱轴压比超限、抗剪截面不够, 需进行加固处理, 增加了结构改造的工期和工程量, 综合考虑, 采用普通钢支撑的加固方案不合理。

屈曲约束支撑主要有2大类:耗能型屈曲约束支撑和承载型屈曲约束支撑。耗能型屈曲约束支撑能依靠自身的屈服耗能减小其他结构构件的地震效应;承载型屈曲约束支撑能以较小截面为结构提供较大的抗侧刚度, 但在中震下不能屈服耗能。本教学楼加固改造采用耗能型屈曲约束支撑的原因是:耗能型屈曲约束支撑能满足地震作用下承载力和变形的要求, 且其在中、大震作用下的屈服耗能可以保证其他结构构件不会出现严重破坏, 加固改造的范围最小、造价最低^[3]。

本工程所使用的屈曲约束支撑, 详细参数如表1所示。

参照JGJ297—2013《建筑消能减震技术规程》相关规定可知, 屈曲约束支撑应布置在结构地震响应较大且能有效增加结构阻尼的地方。BRB的布置位置经PKPM和SAP2000进行迭代计算分析后确定。

JGJ99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》附录E.1.2中第2条规定:屈曲约束支撑的布置应形成竖向桁架以抵抗水平荷载, 宜选用单斜杆形、人字形和V字形等布置形式, 不能采用X字形布置形式, 支撑与柱的夹角宜为30°~60°。用SAP2000对结构进行推覆分析, 找出结构薄弱部位, 在这些部位布置屈曲约束支撑。本结构中, 布置单支撑时, 支撑与柱夹角为59°;布置人字形或V字形支撑时, 支撑与柱夹角为38°。经过PKPM和SAP2000分别对2种布置方式下结构建模分析后, 结构各项计算结果均满足规范要求。由于单支撑布置时, 施工更方便且更经济, 所以本工程采用单支撑布置。用于对比分析的普通钢支撑也采用单支撑形式布置, 其材料与屈曲约束支撑核心耗能构件的材料相同, 其布置位置与屈曲约束支撑布置位置相同。

采用SAP2000软件建立未加支撑、加普通钢支撑和加BRB的结构模型。模型中梁定义主方向的弯矩铰和剪力铰, 柱定义PMM相关铰, BRB采用非线性连接单元Plastic (Wen) , 普通钢支撑采用轴向铰模拟。

多遇和罕遇烈度地震作用下结构PKPM和SAP2000的分析结果如表2所示。从结构层间位移角和基底剪力对比分析可知: (1) PKPM和SAP2000计算结果相近, 说明结构模型的建立是正确的; (2) 普通钢支撑和屈曲约束支撑都增加了结构的抗侧刚度, 结构的层间位移角都达到了规范限值要求; (3) 布置支撑后结构基底剪力均有所增加, 这是由于布置支撑后结构整体刚度增加, 加大了结构地震响应^[4]; (4) 布置普通钢支撑的结构基底剪力比布置屈曲约束支撑的结构基底剪力大, 说明布置普通钢支撑时, 结构整体刚度更大。

根据《建筑抗震设计规范》要求, 需选取2条天然波和1条人工波对结构进行时程分析, 为节约篇幅, 本文仅给出唐山波分别对未加支撑、加普通钢支撑和加BRB之后的结构进行弹塑性时程分析结果, 如表2所示。

由表2可知: (1) 在罕遇地震作用下, 未加支撑结构的弹塑性位移角<1/50, 满足规范要求; (2) 在罕遇地震作用下, 加支撑后结构层间位移角明显减小, 加BRB的结构层间位移角减小更显著; (3) 加支撑后结构基底剪力均有所增加, 其中加BRB的结构基底剪力相比未加支撑结构增加1.33%, 加普通钢支撑的结构基底剪力相比未加支撑结构增加39.83%。这表明BRB在增加结构刚度时, 有效地减小了地震对结构的影响力。

以某综合楼加固改造工程为例, 对比了未加支撑结构、加普通钢支撑结构和加屈曲约束支撑结构在多遇地震及罕遇地震下的结构响应。

1) 普通钢支撑和屈曲约束支撑均可以有效增加结构的抗侧刚度。通过合理地布置屈曲约束支撑, 可以有效控制结构整体刚度, 使结构整体刚度分布更均匀、更合理。

2) 在罕遇地震作用下, 屈曲约束支撑率先进入屈服耗能状态, 可以减轻结构的地震反应。

3) 普通钢支撑使结构刚度过大, 从而增加了结构的地震效应。在旧楼改造时, 容易使布置支撑附近的构件轴力增大。

4) 增加屈曲约束支撑会增加部分柱的轴向压力。在设计过程中可采取适当措施增加该柱的抗压承载力。

5) 在设防烈度地震和罕遇烈度地震作用下, BRB和普通钢支撑均能增加结构的抗侧刚度。在设防地震下, BRB部分进入屈服耗能状态, 在罕遇地震下, BRB率先进入屈服状态, 有效地增加了结构阻尼, 降低了结构地震影响力。而普通钢支撑在大震下容易受压屈曲, 且结构基底剪力增加显著, 对结构抗震不利。