防屈曲支撑在某图书馆抗震加固中的应用

防屈曲支撑在某图书馆抗震加固中的应用

兰学平

（上海建科工程改造技术有限公司上海200032）

【摘要】防屈曲支撑是一类特殊的中心支撑，通过特殊的构造，避免了普通中心支撑受压屈曲的问题，能更好地消耗地震能量。防屈曲支撑可用于新建和加固工程中，近年来在国内外的应用和研究逐渐增多。本文简要介绍了防屈曲支撑的构成、工作原理和防屈曲支撑杆件的计算。某图书馆拟进行全面改造，检测结果表明房屋整体抗震性能及构件承载力不满足要求。本工程采用防屈曲支撑进行抗震加固处理，以解决房屋整体抗震性能不足的问题，同时构件受力得到改善。结果表明，工程采用的耗能减震方案对减小部分构件地震作用力的效果明显，且结构层间位移角得到了有效控制。

【关键词】防屈曲支撑；附加阻尼比；抗震加固；层间位移。

【中图分类号】TU352【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）10-0090-03

1.前言

作为一种特殊的中心支撑方式，防屈曲支撑能够起到良好的减震效果，通过合理的将中心支撑与金属屈服型喉咙气相结合，让这种支撑方式在具体应用中有良好的效果。随着不断引入国外先进的应用技术和研究手法，防屈曲耗能支撑手段具有比较稳定的力学特性，因此能够更好的承受一定程度的压力或拉力，通过合理的设计，确保最终的支撑方案能够进一步提高其刚性和延性，并且在受到较大外力的作用下不会产生屈曲的情况，进一步表现出钢材明显的滞回耗能能力，由于相应技术较为成熟，所以，这项技术已被多个新建和加固项目所应用。本文主要介绍防屈曲支撑的组成和工作原理、防屈曲支撑杆件的计算及其在加固工程中的具体应用。

2.防屈曲支撑的组成

防屈曲支撑横向构成分为3部分，即核心单元、屈曲约束单元和无黏结膨胀材料，如图1所示，防屈曲支撑横向构成分为3部分，即核心单元、屈曲约束单元和无黏结膨胀材料，如图1所示，在核心单元和屈曲约束单元之间的组成部分，使用无粘结膨胀材料，能够起到组个间隙的作用，有效的阻止了核心单元因受到外界压力而产生屈曲的情况。如图2所示，核心单元有以下几个重要部分组成，即约束屈曲段、约束非屈曲段、无约束非屈曲段，这三个阶段分别承担了核心、过渡和连接的作用。在约束单元位置，将中空钢套管与砂浆和混凝土相结合，进一步提高了屈曲支撑的抗压特性。

图2核心单元组成

防屈曲支撑常见的截面形式为十字形、T形、工字形和一字形等，分别适用于不同的刚度要求和耗能需求，如图3所示。

图4普通中心支撑与防屈曲支撑的滞回曲线对比

屈曲约束支撑在弹性阶段能够为结构提供抗侧刚度和抗扭刚度，提高结构在多遇地震下的变形能力；同时，由于外侧屈曲约束单元对于支撑核心受力单元的约束作用，与普通支撑相比较而言，其设计承载力更高。当核心受力单元进入弹塑性阶段后，由于芯材具有良好的拉压屈服滞回性能，可以消耗大部分地震能量，从而减小其它结构构件在罕遇地震作用下的损伤，使其保持在弹性或轻微进入塑性工作状态，并且能够大大改善结构在罕遇地震下的延性性能，提高其变形能力。采用防屈曲支撑加固技术具有加固效果良好、维护方便、施工周期短、施工费用低、对建筑使用功能影响较小等优点，因此防屈曲支撑在抗震加固工程中具有很好的应用价值。

4.防屈曲支撑杆件的计算

4.1对防屈曲支撑杆件计算的规定和要求

在某些地震或风荷载频发地段，利用防屈曲支撑手段，能够在尽可能保证刚度使用要求的前提下，减少因地震而造成的经济损失。防屈曲支撑方式能够满足多种减震体系的使用需求，而作为约束屈服段的全截面屈服，能够有效的利用滞回耗能的办法，对地震所产生的巨大能量进行消耗，同时，约束非屈服段以及无约束非屈服段则同样需要具有一定的弹性特效，才能维持防屈曲支撑杆件的稳定。

4.2防屈曲支撑的屈服承载力

图5标准层结构平面图

5.2房屋改造方案

根据业主要求，房屋改造方案如下：

（1）地下一层新增生活消防泵房和进风排风机房。

（2）拆除原有二夹层，新增一夹层作为自修区使用。

（3）现顶层为1996年后加钢框架结构，拟将钢结构拆除，改为混凝土结构。

（4）将休息平台处卫生间移至楼面处。

（5）拟改造原有电梯，扩大原有带电梯容量，增加电梯承载人数。

5.3房屋改造后结构存在的问题

按照业主改造方案，依据房屋鉴定报告，房屋改造后结构主要存在以下问题：

（1）房屋X向、Y向最大层间位移角均不满足规范要求。

（2）地下一层至五层部分柱承载力不足。

（3）地下一层至五层部分梁承载力不足。

5.4防屈曲支撑加固方案的选择及支撑布置

根据鉴定报告，房屋层间位移角不满足规范要求。假如使用增大截面法完成加固，加固的范围以及工作量会明显增多。如果选用增设剪力墙的办法，会对原结构的功能使用产生影响。而选用防屈曲支撑的加固办法，能够对地震产生的压力最大化的吸收，避免了梁柱框架受到影响，并可以有效的减少加固量，让加固范围变得更加集中。假如采取普通钢支撑加固办法，虽不会受到小型地震的影响，而如果遇到中震或大型地震，整体稳定性就会丧失，局部屈曲失去原有的支撑效果，由此可见，这种支撑方式无法保证整体结构性的稳定，不能满足耗能需求。利用防屈曲支撑办法，则能够保持原有钢支撑受压屈曲的稳定，达到预期的使用需求。

屈曲支撑主要是满足刚度、延性和地震作用下的弹塑性需求，在建筑方面满足基本的功能使用需求和加固需求。整体的平面布置过程需要满足均匀对称原则，让两个主轴方向的结构相对称，确保两个方向所产生的动力特性相一致。整体的设计方案应避免对原结构产生扭转效应，立面布置过程应预防结构刚度突变而产生新薄弱层的现象，排除应力和塑性变形集中的情况。

综合考虑本工程的特点，为了减小对原建筑使用功能的影响，同时使支撑布置发挥最大作用，本工程采用的支撑平面及立面布置分别如图6~图7所示，防屈曲支撑共60个。

5.5防屈曲支撑节点处理

为避免增设防屈曲支撑后原有节点先于构件损坏，保证在地震作用下防屈曲支撑充分发挥作用，通常可采用增设连接型钢的方法来处理。钢构件可以采用化学螺栓与原结构相连，实现“强节点弱构件”、“强柱弱梁”的概念设计要求，典型的连接节点见图8。

图8防屈曲支撑节点图

6.防屈曲支撑抗震加固计算分析

6.1结构动力特性分析

对房屋未加固前结构和采用防屈曲支撑进行加固后结构分别进行计算，计算分析采用中国建筑科学研究院的程序PKPM系列软件。加固后结构第一周期平动系数为0.99，第三周期为扭转周期，表明防屈曲支撑布置均匀合理。增设防屈曲支撑后结构刚度有所提高，周期有所减小。

图10弹性时程分析X向楼层剪力对比

6.3罕遇地震弹塑性（PUSHOVER）分析计算

静力弹塑性分析采用中国建筑科学研究院的程序PKPM系列PUSH进行。采用PUSH程序进行静力弹塑性分析的计算模型与SATWE分析模型一致。为了提高计算效率，计算中去掉了可以作为上部结构嵌固端的地下室。

本文分别按倒三角形和矩形加载方式进行推覆分析，多遇地震和罕遇地震下需求层间位移角如表2所示。多遇地震和罕遇地震下，倒三角形和矩形加载得到的结构需求层间位移角均能满足规范的限值要求。

在设防烈度地震作用下，框架梁、框架柱保持弹性，尚未出现塑性铰，三层、四层防屈曲支撑进入塑性状态，开始出现塑性铰。在罕遇地震作用下，一至五层防屈曲支撑均出现塑性铰，充分起到耗能作用。二至五层框架梁出现塑性铰，局部底层柱柱根出现塑性铰，大部分框架柱仍保持弹性状态。可见，在房屋结构中增设防屈曲支撑以后，能够有效对抗罕见的地震，避免房屋倒塌情况的产生。

7.结论

通过选用防屈曲支撑办法，合理的与原结构相结合，确保全新的结构能够满足抗震性能的基础上，让二者协同工作，有效提高原有框架的刚度和阻抗要求，以应对不同类型的地震情况。利用防屈曲支撑办法，可以最大限度的疏散地震所产生的能量，提高整体建筑的抗震特性。综上所述，在原有结构的基础上，增加防屈曲支撑技术，具有独特的效果和优势，能够有效改善旧房改建的过程中产生的应力不足的问题，解决了节点域抗剪不足、纵向配筋的实际量小于计算量的问题，减小了加固量。与传统的加固技术相比，防屈曲支撑加固技术表现出明显的优势，缩短工期的同时，也减少了经济的投入。

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