防屈曲耗能支撑在高层框架-剪力墙结构房屋建筑中的应用

刘加景，胡继康

中交二航局城市投资发展有限公司，湖北省武汉市 430000

摘要：对于高层建筑而言，在考虑各种功能需求的同时需要有较好的抗震性能。通过耗能来实现减震的技术在高层建筑中是一种有效且经济的应用，该种技术可以理解成一种“以柔克刚”的加固方式。在高层框架-剪力墙结构中可布置防屈曲耗能支撑构件来实现耗能减震。

关键词：耗能支撑；高层框架-剪力墙；减震

根据统计显示在全球范围内平均每年发生震级在8 级以上的毁灭性地震为2次；震级7级以上的大地震约为20次；震级2.5级以上的有感地震最为常见，次数在15万次以上^[1]。在目前的工程建筑结构设计及建设中时刻要考虑抗震与减震的问题。而具备框架和剪力墙两种抗震能力单元的高层框架-剪力墙结构较为特殊，该种结构在抗震问题上必须考虑到这两种抗震单元的协同作用，在需要进一步提高安全储备或抗震等级时可以通过布置防屈曲耗能支撑（Buckling-restrained braces）来实现。

1、防屈曲耗能支撑在高层框架-剪力墙结构中的应用背景

在我国既有的工业建筑与民用建筑的数量庞大，对于建造年代较早的一些建筑而言设计标准较低，随着时间推移建筑结构耐久性能降低，同时某些建筑功能改变，以上原因的情形下需要对建筑结构进行维护加固。此外，新的时代要求下国家提出了绿色发展理念，不宜盲目地拆除暂时未能满足当前人们生产或生活功能的既有建筑，而应在既有建筑的基础条件之上结合当前生产及生活功能需求进行加固或改造。

在高层建筑中通过耗能来实现减震是一种经济有效且便为实现的技术，可在满足功能需求的同时增加其抗震能力。耗能减震技术可理解为“以柔克刚”的加固技术。最初的设计中在面对框架结构抗侧刚度不足的难题时是通过增加布置普通支撑来实现，然而普通支撑面临着屈曲问题且拉、压轴向受力过程中滞回反应不对称。因而普通支撑在大震中反复荷载作用下往往表现为构件本身极易失效，而且连接容易破坏。此外，普通支撑屈曲之后会带来滞回能力变弱的问题，这将会导致构件消耗地震能量的能力大大减弱而无法发挥构件减震的作用。相比较普通支撑而言在拉、压轴力荷载下防屈曲耗能构件不易屈曲而能够达到屈服状态，同时拉、压受力受力对称性较好，因此防屈曲耗能构件在强震发生时有更为稳定的能量耗散能力。

根据建筑结构形式及其功能，防屈曲耗能支撑布置的方式多种多样，可全楼层布置，可单一楼层布置。目前，在面临减震问题上多层和中高层框架结构更多地会考虑布置防屈曲耗能支撑，而在框-剪结构上应用防屈曲耗能支撑较少。相对于框架结构而言，具备剪力墙单元的高层框-剪结构侧向刚度更大而具备一定的抗震能力，因而在框-剪结构应用防屈曲耗能支撑时可以考虑在局部位置布置以避免资源浪费。对于框-剪结构而言未考虑框架和剪力墙协同作用的情况下，在单一楼层布置耗能支撑和增设阻尼器虽然可以一定程度上提高抗震能力，但可能存在结构安全储备不足。应用防屈曲耗能支撑时在考虑框-剪结构的性能后，采用某种易于实现的布置方式，不仅能高效完成耗能减震作用且便于工程应用。高层框-剪结构在地震作用下下部层间的受力较大，在受力较大的位置布置防屈曲耗能支撑可减小剪力墙受力而提高结构的安全储备，该种布置方案可作为框-剪结构的耗能减震思路。

2、防屈曲耗能元件工作原理

建筑结构在地震作用下达到弹塑性阶段时防屈曲耗能支撑能提高抗侧刚度并参与消耗地震能。防屈曲耗能支撑基本构造与截面形式包括横向和纵向构成。

防屈曲耗能支撑横向组成部分主要为内置核心单元、中间滑动单元和外围约束单元。其中内置核心单元也便是芯材单元，其易于屈服从而在承受水平往复荷载时消耗能量，为避免芯材单元在受压状态下发生屈曲，可通过外围约束钢管或者灌注混凝土在套管内的方式来增加约束。在整个构件当中内置核心单元起到主要的承载作用，其可选择普通型钢或低屈服点钢。防屈曲耗能支撑内置核心单元选用钢材时可依据不同的使用需求来选定，当使用需求为承载型防屈曲支撑时可采用屈服点高的钢材作为芯材，采用屈服点低的钢材作为芯材消耗地震能的能力更强可以作为耗能型来使用。作为防止构件屈曲的约束单元会在核心单元受压后产生摩擦力，为了减小摩擦力一般在两种单元之间设置滑动单元，这种滑动界面一般由无粘结材料制作而成^[2]。在核心单元中设置约束单元可以防止屈曲的发生，约束单元一般由钢管填充混凝土组成。

防屈曲耗能支撑的纵向构成主要由约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段三个部分组成。防屈曲耗能支撑的中间部位为约束屈服段，其可以达到屈服阶段从而消耗地震能；构件达到屈服阶段后，为防止构件屈服破坏而让其保持在弹性阶段可在屈服段两边延伸位置设置面积较大的转换段，也称之为约束非屈服段；连接段的作用是保证支撑与框架之间的连接作用，也称之为无约束非屈服段，设置在约束非屈服段两边延伸位置。

3、框-剪结构协同变形原理

在结构设计中布置防屈曲耗能支撑，当结构面临地震荷载时该构件可以达到屈服而不发生屈曲，能有效稳定地消耗地震能。为提高结构的抗震能力，在框-剪结构中必须考虑到框架与剪力墙两种单元的协同工作作用。面临地震荷载大小不同时，剪力墙与框架分别承担的荷载分担比也随之变化，小震时地震荷载主要由剪力墙承担，大震时框架承担的地震荷载比例增大，主要原因为面临地震荷载时剪力墙已屈服而刚度退化。

框-剪结构体系本身具备有一定抗震能力，并且能够较好地满足生产生活功能需要，在高层建筑中是应用最为广泛的一种结构体系。框架和剪力墙是具有不同变形特性的侧向力单元，框-剪结构将这两种单元结合后可以取长补短从而具有双层抗震体系。在框架结构的基础上增加剪力墙可以调整结构的抗侧刚度从而提供足够的承载力。

在框-剪结构中框架和剪力墙两种单元的变形可以通过楼板及连梁来协调从而共同抵抗地震荷载。地震荷载下两种单元彼此协同工作时刚度较大的剪力墙承担了大部分的侧向荷载。结构刚度特征值的大小不同时，框架和剪力的荷载分担比也随之变化。框架和剪力墙的变形特性分别为“剪切型”、“弯曲型”，根据两种单元的变形特性，变形发生后在结构的下部剪力墙承担荷载的比例相对较大；结构的上部情况相反，框架的变形增大而剪力墙位移减小从而剪力墙承担荷载的比例相对较小，从而形成了框-剪结构下两种单元的共同作用机制^[3]。框-剪结构中因为增加了剪力墙从而大大提高侧向刚度，剪力墙的协调作用避免了结构薄弱层的出现。

在框-剪结构中布置防屈曲耗能支撑能提高结构抗侧刚度的同时，能在结构弹塑性阶段参与消耗地震能。增设防屈曲耗能支撑对于需要提高抗震设防等级的既有高层结构来说是一项经济有效的技术。较大地震发生时框-剪结构下部的剪力墙首先屈服，是抗震的第一道防线。增设防屈曲耗能支撑可以分担结构的剪力，从而缓解剪力墙作为第一道防线的开裂、屈服。

根据框-剪结构的特性，框-剪结构的防屈曲耗能支撑布置与框架结构不同。框架结构中防屈曲耗能支撑一般采用全楼层布置，而在框-剪结构中由于剪力墙大大提高了结构的抗侧刚度，当按照全楼层布置时结构会在弹性阶段过刚，此外也造成了资源浪费，所以防屈曲耗能支撑应该在框-剪结构的局部位置布置。从框-剪结构协同变形原理的角度出发，防屈曲耗能支撑布置在结构下部楼层的方案较为经济合理，增加结构刚度的同时能发挥耗能作用。

参考文献：

1. 李爱群,丁幼亮,高振世.工程结构抗震设计(第二版)[M].中国建筑工业出版 社,2010

2. 林斯嘉. 框架-剪力墙结构的框架地震层剪力分配[J]. 建筑结构, 2012.

3. 包世华,张铜生.高层建筑结构设计和计算[M].中国建筑工业出版社, 2012.