防屈曲支撑混凝土框架支撑设计分析

防屈曲支撑混凝土框架支撑设计分析

摘要:地震作为一种常见的自然灾害会造成严重的经济损失和人员伤亡。房屋建筑的严重破坏和倒塌是造成这种问题的主要原因。防屈曲支撑作为一种阻尼器能够有效减小主体结构的地震响应,近年来在混凝土结构中已应用于较多的工程实例中。然而研究表明,大震作用下,防屈曲支撑混凝土框架往往无法发挥出预期的抗震性能。基于分析防屈曲支撑混凝土框架支撑跨结构的实际受力状态,主要针对支撑跨框架梁柱提出了性能优化设计的设计建议。该设计思路主要对增设防屈曲支撑结构的受力模型进行了修正,并对其承载力设计和构造措施进行相应的调整。

关键词:混凝土框架,防屈曲支撑,受力状态

1研究背景

我国位于世界两大地震构造系的交汇区域,是地震多发的国家之一。房屋建筑的严重破坏和倒塌是造成经济损失和人员伤亡的主要原因。因此,提高建筑物抗震性能是工程设计人员和科研人员的主要任务之一。震害分析表明,传统结构通过提高结构自身的强度,刚度和延性抵御地震作用的方法是消极被动的。结构耗能减震技术通过在结构中设置阻尼器实现了主体结构地震响应的主动控制,近年来得到了迅速的发展和应用。防屈曲支撑(BRB)凭借其良好稳定的性能,较低的成本等优点成为了耗能减震技术的重要手段之一。防屈曲支撑的构造主要包括核心单元、约束单元及无粘结层。如图1所示,理论上防屈曲支撑框架的支撑轴力完全由核心单元来承担,在多遇地震下为结构提供抗侧刚度,在设防和罕遇地震作用下全截面进入屈服实现耗能。约束单元为核心单元提供约束,避免其在受压状态下屈曲。无粘结层用来减小核心单元与约束单元之间的摩擦[1-3]。防屈曲支撑在实际工程中已有较多的应用实例,例如:上海世博中心、北京大兴国际机场、台北县政府大楼、山西省图书馆等。然而,大震作用下防屈曲支撑混凝土框架支撑跨结构往往无法发挥出预期的抗震性能。主要原因在于,结构增设防屈曲支撑后其实际的受力状态与预期受力状态存在较大差异。按照规范规定方法对支撑跨结构进行承载力设计和采用相应构造措施可能致使结构无法发挥出预期的抗震性能。

2研究概况

2.1研究现状。目前,国内外学者针对防屈曲支撑混凝土框架结构的抗震性能已展开了一系列研究。一些研究表明,大震作用下,防屈曲支撑混凝土框架支撑跨结构能够发挥出良好和稳定的抗震性能,结构能够实现预期的抗震目标。顾炉忠等[4]对3榀单层单跨的防屈曲支撑混凝土1∶2框架进行了拟静力试验。试验结果表明,支撑跨结构的极限层间位移角可达2%~2.6%。同时,支撑跨框架梁柱表现出合理的屈服机制;Wu等[5]对2层单跨的足尺防屈曲支撑混凝土新建框架进行了拟静力试验,结果表明,加设防屈曲支撑极大程度地提高了框架的强度、刚度及延性,子结构的极限层间位移角达到4.5%。刘如月[6]对4榀1∶2缩尺比例的3层单跨新建防屈曲支撑混凝土框架进行拟静力试验,结果表明,与纯RC框架相比,加设防屈曲支撑后结构在承载力、抗侧刚度、变形能力、耗能能力等方面均有较大的提高。然而一些研究表明,支撑跨结构未能发挥出预期的抗震性能,主要表现为:支撑跨结构可能在较小的层间位移角下失效,子框架梁柱发生非预期的破坏模式等。DiSarno等[7]对2层2跨的防屈曲支撑混凝土框架进行了拟静力试验,由于设计时未合理考虑支撑与支撑跨框架梁柱之间的相互作用,框架结构的极限层间位移角仅为1%;马晨光等[8]对2榀既有3层单跨RC框架进行拟静力试验,试验结果表明,防屈曲支撑显著提高了支撑跨框架结构的承载力、刚度、耗能能力等,但支撑跨框架节点发生了剪切破坏,支撑体系提前失效。DellaCorte等[9]对一栋防屈曲支撑加固2层既有混凝土框架进行了试验研究,结果表明,虽然结构整体的极限层间位移角达到了3%,但在加载过程中,子框架柱呈现出柱铰屈服机制,且塑性铰出现在节点板相邻梁柱交界面处。

2.2当前研究存在的问题。从上述研究现状可以看出,增设防屈曲支撑在一定程度上能够提高混凝土框架结构的抗震性能。目前,仍存在以下问题需要进一步明确和解决:1)当前研究均未合理考虑附加支撑对支撑跨框架梁柱受力状态的影响。目前的研究中,设计人员及科研人员往往仅关注框架对于支撑的单向影响。地震作用下支撑跨框架除了承受支撑轴力外,由于节点板的存在,其实际的受力状态与预期受力状态存在显著差异。2)支撑跨框架仍沿用规范规定的设计方法和构造措施进行配筋设计,这种设计方法显然是不合理的。配筋设计未按照实际受力状态进行配置可能导致支撑跨框架梁柱发生非预期的破坏模式,进而导致其在较小的层间位移角下失效,无法充分发挥防屈曲支撑的耗能减震目的。

3支撑跨结构受力状态分析及设计建议

3.1支撑跨结构的受力状态分析。防屈曲支撑混凝土框架支撑跨的实际受力状态与预期受力状态存在显著差异(见图2)。首先,由于节点板的存在(见图2b)),除了由防屈曲支撑轴向力对支撑跨结构刚度的提高外,节点板对其刚度提高的影响也不可忽略,而在结构设计时节点板对于支撑跨结构刚度提高的影响往往未进行合理考虑,可能导致支撑跨结构自身的抗力无法有效抵御地震作用效应,进而导致支撑跨框架提前发生破坏。其次,由于节点板的存在,支撑跨框架梁(柱)的塑性铰位置可能由梁柱交界面转移到节点板端部,塑性铰的转移会使支撑跨框架梁(柱)的实际长度减小,进而减小支撑跨框架梁(柱)的剪跨比,增加了其剪切破坡的可能性。塑性铰的转移对于保证防屈曲支撑的有效连接是极为有利的,吻合能力设计要求。同时,节点板相邻梁柱区域的受力状态与普通梁存在显著差异,其受力性能更加接近于深梁。对于该区域需要通过合理的抗剪设计保证其不发生剪切破坏。

3.2支撑跨结构的设计建议。通过上述受力状态的分析可以看出,支撑跨框架梁柱的预期受力状态与实际受力状态存在显著差异。支撑跨框架梁柱的设计思路应根据其受力状态作出相应的调整。基于上述受力状态的分析,提出以下设计建议:1)合理考虑由于节点板的存在而导致的节点板相邻梁柱区域的刚域效应。在结构设计时,结构的实际刚度应按照节点域(如图2b)所示)完全刚性来考虑,根据节点板的大小对支撑跨结构的刚度乘以相应的增大系数,完全刚性的假定对于支撑跨框架设计时是偏于保守的。当然,在结构整体分析时,节点对于刚度的贡献是否考虑,需要根据实际情况确定。2)偏于保守地考虑防屈曲支撑与支撑跨框架梁柱之间的相互作用。相对较强的连接一方面可以保证防屈曲支撑与支撑跨框架梁柱的有效连接,另一方面可以增加节点板相邻梁柱区域的抗弯承载力,进而塑性铰转移到节点板端部的区域内,减小节点板相邻梁柱区域的破坏程度。3)对预期的塑性铰位置进行箍筋加密。塑性铰由梁柱交界面转移至节点板端部,按照规范规定的箍筋加密长度无法保证实际塑性铰的转动能力,所以,箍筋加密长度应从节点板端部开始算起。4)节点板相邻梁柱区域应按照深梁进行设计。节点板相邻梁柱区域形成了受力不连续区域,其受力状态与深梁相近,按照防屈曲支撑的极限承载力在该方向的正向分力对其进行抗剪设计。5)对于“强剪弱弯”的验算应考虑塑性铰转移的影响。从前述分析可以看出,塑性铰的转移使梁的有效长度发生了变化,其实际受弯和抗弯承载力之间的关系与预期存在较大差异,在强剪弱弯设计时,其验算依据应按照梁的实际受力状态考虑。同时,对于“强柱弱梁”的验算也应考虑塑性铰转移的影响。

4结语

防屈曲支撑作为一种耗能阻尼器近年来得到日益广泛的应用,然而防屈曲支撑在混凝土框架中的抗震表现却不尽人意。混凝土框架在加设防屈曲支撑后,其受力状态与纯框架存在显著差异。本文通过对防屈曲支撑支撑跨框架进行了深入的受力状态分析,基于受力状态提出了更加合理的支撑跨设计建议。该设计建议主要通过控制支撑跨框架的破坏模式,进一步有效控制支撑跨框架过早失效。本文的研究有助于充分发挥防屈曲支撑对混凝土框架结构的耗能减震效果,为我国高烈度区耗能减震结构安全性提供更可靠的科学依据和理论保障。

作者:韩磊 赵彩飞 单位:山西省地震局 临汾中心地震台临汾万佳基础有限公司