屈曲约束支撑在抗震加固中的应用探讨

摘要：屈曲约束支撑有周期短、施工方便、性能优、无湿作业的优点，并且现场施工作业与工厂支撑加工可以同步进行，加快施工进度，是一种具有广阔应用前景的耗能减震构件。本文以一个抗震加固的实际工程作为案例介绍屈曲约束支撑在框架结构体系的抗震加固中的应用。

关键词: 屈曲约束支撑；框架结构；加固

中图分类号： TU323.5文献标识码：A文章编号：

地震是一种严重突发性及难以预测的自然灾害, 2008年汶川大地震给中国人民带来了巨大的灾难, 造成了巨大的人员伤亡和财产损失。许多学生在这次地震中失去了他们年幼的生命，许多中小学校舍建筑损坏或倒塌。因此, 对原教学楼进行加固, 保护学生和教师的安全迫在眉睫。

屈曲约束支撑体系技术发明于上世纪80年代早期，是一种特殊的中心支撑，由芯材、套管及无粘结填充材料组成(图1)。它具有安装方便、周期短、施工方便、基本无湿作业等方面的优点广泛应用于已有结构的抗震加固。如日本竹中公司广岛分公司、台北县政府行政大楼、美国盐湖城的WallaceF. Bennett 联邦等工程采用了屈曲约束支撑。日本竹中公司广岛分公司办公楼设置32个屈曲约束支撑垂直在楼层既不会影响采光的四角窗户，以满足抗震设防标准（图2）。台北县政府行政大楼1999年地震后共设计装有562根屈曲约束支撑来改善结构的抗震等级。美国盐湖城的WallaceF. Bennett 联邦大楼为达到所需要的抗震能力，安装了344根屈曲约束支撑,节省250万美元, 缩短2个月的工期。下文结合工程实例对屈曲约束支撑在抗震加固中的应用进行探讨。

图1屈曲约束支撑构成

图2日本竹中公司加固

1、工程实例简介

本次加固设计的建筑为A小学教学楼，建于10年前，混凝土框架结构体系，建筑面积约7760 m2，建筑物长约100m，宽约50m，层高3.9m，主体结构五层。现有的教室数量难以满足学校建筑实践的发展需要，需要在原有建筑的基础上再增加一层。2008年汶川大地震后新规范要求: 学校教学楼建筑应提高安全等级, 根据该要求, 抗震设防烈度由7度( 0.10g) 提升至7度半(0.15g) , 框架抗震等级提升至二级。本次加固工程为小学建筑，受功能和时间影响，施工过程仅为暑假期间,这种特殊情况下，必须采用加固改造加固周期不宜过长、湿作业少、检查方便、维护不能妨碍建筑物的外观和正常使用的方式。因此，根据工程实际情况，提出采用屈曲约束支撑加固的方案。A小学建筑平面图如图3所示, 结构平面图见图4。

图3 建筑平面图

图4结构平面图

2、采用屈曲约束支撑加固

本工程在建筑物某些部位设置屈曲约束支撑，提高建筑物整体抗震性能及解决配筋大量不足问题。经过反复调算，共计使用25根TJII 型屈曲约束支撑，包括两种类型（1350kN和2000kN）。

节点设计是加固工程中的一个重要环节，也是抗震设计中非常关键的环节，节点的破坏在建筑物的破坏中所占比重较大，需要专注于设计节点的设计。本工程采用厚钢板接连接屈曲约束支撑和梁、柱之间，因边柱的大部分截面位于室外, 为不影响外观, 在边柱处增设了型钢柱, 型钢柱紧贴外边柱, 并与外边柱形成可靠连接，施工后节点如图5所示。

图5 加固后节点现场图

3、加固前后对比分析

加固前后结构抗侧性能对比为图6。可以看出, 采用屈曲约束耗能支撑技术后, 结构变形满足规范的要求。

图6 加固前后结构抗侧性能对比

4、 结构弹塑性性能对比分析

采用Etabs软件对屈曲约束耗能支撑进行加固的结构进行了shover静力弹塑性分析, 主要结果如下。

对结构基底剪力和主标高处进行两个方向的Pushover分析，位移关系如图7和图8所示。可以看出, 在强地震作用下, 结构进入塑性耗能状态。

图7 X向结构基底剪力-位移关系图8 Y向结构基底剪力-位移关系

结构在罕遇地震作用下的X、Y向层间位移角分布见图9和图10所示。X向的最大层间位移角为1／95，Y方向最大层间位移角为1／89, 可见结构能够满足“大震不倒”的要求。

图9X向层间位移角分布图10 Y向层间位移角分布

在达到性能点时塑性铰的分布情况,见图11所示。可以看出, 产生塑性变形的杆件集中于2、3和4层及这三层层间位移较大。

该结构框架柱产生塑性变形, 主要塑性变形集中于屈曲约束支撑和框架梁, 达到了强柱弱梁、且由屈曲约束支撑起主要耗能构件的抗震加固目标。

图11 罕遇地震下结构塑性变形

5、结束语

屈曲约束支撑在小震情况下提供了足够的支撑刚度，做到小震不坏；在中震情况下，为结构提供一些的减震结构中耗能能力，减轻负担的主体结构，实现消能减震，达到中震可修的目的；在强大的地震情况下，将有较大的阻尼消耗输入的地震能量，以保护主体结构和组件在发生强烈地震遭破坏，不会发生整体失稳破坏，达到大震不倒的目标。屈曲约束支撑应用于A小学教学楼的抗震加固后, 提高了结构抗震性能, 且缩短了施工工期, 降低了工程造价，节约了加固成本，也为结构增加了一道抗震防线确保结构的安全。

参考文献：

[1]GB50023-2009， 建筑抗震鉴定标准[S].

[2]JGJ116-2009,建筑抗震加固技术规程[S].

[3]赵俊贤.防屈曲支撑工作机理及稳定性设计方法[J].地震工程与工程原理，2009,29（3）.131-139.

[4]汪家铭.屈曲约束支撑体的应用与研究进展（R）[J].建筑钢结构进展，2005，7（1）：1-12.

[5]王华琪、何志军.防屈曲支撑的应用与设计 [J].结构工程师，2007，23（4）：6-11.