防屈曲支撑应用及设计

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【摘 要】文章简要介绍了防屈曲支撑的组成、工作机理，提出了防屈曲支撑在新建建筑及加固工程中的应用步骤。对防屈曲支撑在软件中的实现也作了说明，最后，指出了目前我国防屈曲支撑应用中存在的问题并提出相应意见。

【关键词】防屈曲支撑；应用步骤；软件；问题

前言

防屈曲支撑作为一种新型的耗能减震构件， 抑制了普通的支撑的压曲现象， 能更多地吸收和耗散地震输入给结构的能量， 提高了框架的抗震性能和能力。目前其在日本、美国、中国台湾已广泛使用，在中国大陆的研究尚处于起步阶段。

1 防屈曲耗能支撑的构成及耗能机理

1.1 防屈曲支撑的构成

防屈曲支撑的构造主要从两方面来分析，即横向构成和纵向构成。横向构成分为三部分，即核心单元（芯材）、约束单元（钢管和套管内混凝土或砂浆）及滑动机制单元。防屈曲支撑的纵向构成分为五个部分：约束屈服段；约束非屈服段；无约束非屈服段；无粘接可膨胀材料；屈服约束结构。

1.2 耗能机理

支撑结构在地震作用下所承受的轴向力全部由芯材承受，该芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，而钢管和套管内混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压屈服。滑动机制单元则在芯材与之间提供了一定的滑动界面和空间，从而使内芯钢材在受拉与受压时尽可能地有相似的力学性能。

2 防屈曲支撑的应用-新建工程

2.1 防屈曲支撑体系设计

2.1.1 防屈曲支撑结构的概念设计

防屈曲支撑结构的概念设计通常包括以下几方面：防屈曲支撑结构适用范围和设防目标、支撑性能标准和基本要求、支撑数量预估和要求、支撑的布置原则。

2.1.2 防屈曲支撑体系的抗震计算

防屈曲支撑体系的抗震计算包括：第一，多遇地震作用下防屈曲支撑框架结构的抗震强度与变形验算。第二，罕遇地震作用下防屈曲支撑框架结构的弹塑性位移验算。

2.1.3 防屈曲支撑的设计

防屈曲支撑的设计主要包括：芯材断面的选取、支撑约束钢管的选取、连接设计、节点设计与强度校核。

2.2 防屈曲支撑用于新建工程的实例

2.2.1 美国加利福尼亚大学植物与环境科学置换研究所实验室

该建筑结构总平面呈“C”字形，建筑共使用了132个防屈曲支撑，通过ETABS进行的动力分析表明，防屈曲支撑能很好的控制结构的扭转响应。

2.2.2 北京银泰中心主塔楼

该主塔楼为63层的全钢结构，结构总高度249.5m。其设备层的伸臂桁架斜杆采用防屈曲支撑代替，有利于大震时吸收能量。

3防屈曲支撑应用-加固工程

3.1 防屈曲支撑用于加固工程的步骤

3.1.1 对待加固结构抗震性能进行评价

此项评定应根据相关国家标准和行业规程及加固结构的性能目标要求全面、系统的检测和评定，如工作环境、材料强度和刚度退化、振动特性、结构残余寿命等。

3.1.2 防压曲支撑的设计与选择

防压曲支撑的设计与选择包括：防压曲支撑类型的选择、防屈曲支撑数量及其布置形式的确定，布置时应避免使结构出现新的薄弱层。

3.1.3 抗震加固结构分析与设计

首先，应进行结构的动力特性分析。其次，依据结构抗震加固的基本目标，进行多遇地震作用下承载力和弹性变形验算及罕遇地震作用下的变形验算。

3.1.4 抗震加固综合评价

抗震加固是一个建筑的再创造过程，也要满足“安全，经济，适用”的要求。

3.2 防屈曲支撑用于加固工程的实例

3.2.1 台中国泰世华国际大楼

该工程由于“9.21”集集大地震规范修订，致使原结构的短向不满足强度与刚度要求，故安装BRB构件于该方向上，共计安装80支纯钢造防屈曲支撑。

3.2.2 美国华莱士班尼特联邦大楼

大楼加固通过10多种方案的比较，最终决定采用十字形防屈曲支撑，加固工程采用了344根支撑，并获犹他州2002年度优秀工程奖。

4 防屈曲支撑结构体系的分析软件

4.1 防屈曲支撑单元在SAP2000\ ETABS中的实现

在SAP2000\ETABS中耗能减震单元是靠连接单元来实现的，这些非线性单元有：线性弹簧（Linear）、阻尼器（Damper）、缝（Gap）、钩（Hook）、塑性单元（Plastic1）、滞回隔震器（Isolator1）、摩擦摆隔震器（Isolator2）。这些单元既有线型属性又有非线性属性。对防屈曲支撑进行分析时，可采用软件中的塑性单元，当对防屈曲支撑减震结构进行线性分析时，软件中采用结构线性和塑性单元的线型属性，进行非线性分析时则结构线性，塑性单元中采用非线性属性。

4.2 防屈曲支撑单元在MIDAS中的实现

在MIDAS中耗能减震单元是靠边界条件的非线性连接单元来实现的，这些非线性连接单元的类型有黏弹性耗能器（Viscoelastic Damper）、间隙（Gap）、钩（Hook）、滞回系统（Hysteretic System）等类型的非线性连接单元。对防屈曲支撑可采用滞回系统（Hysteretic System）进行模拟。

4.3 防屈曲支撑单元在ANSYS中的实现

ANSYS提供了一系列可以用来作耗能减震分析的弹簧阻尼单元，这些单元包括Combin7、Link11、Combin14、Pipe16、Combin37、Fluid38、Combin40、Fluid79、Fluid80、Fluid81、Surf153、Surf154单元等。对于防屈曲支撑可采用Beam188单元来进行模拟。

5 问题与建议

防屈曲支撑结构体系是一种非常有前景的新型结构体系，我国已具备防屈曲支撑应用的物质条件和市场需求， 但还有一系列的问题亟待解决。

5.1 加快防屈曲支撑相关规范编写：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010） 虽增加了隔震和消能减震的内容，但这些原则性的条款对这种防压曲支撑以及支撑框架体系的设计和计算缺少具体的规定，产品标准尚处空白。

5.2 加强防屈曲支撑应用于大跨、超高以及网壳等结构上的研究：随着这类结构形式的大量应用，对防屈曲支撑也提出了更高要求。

5.3 由于现有防屈曲耗能支撑均是研究者自行研制，并申请了专利，许多性能参数、制造技术、分析方法均属保密，这限制了该项技术的发展和推广使用。而我国又是一个多地震国家， 因此， 加强实用新型的防屈曲支撑的研制与应用就显得格外迫切。

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