屈曲约束支撑在框架结构加固中的应用分析

屈曲约束支撑在框架结构加固中的应用分析
摘要：本章拟结合工程实例，阐述屈曲约束支撑在中小学校舍抗震加固工程中的应用，比较了加固前后结构整体性能指标。

结果表明采用屈曲约束支撑加固，在改善抗震性能方面取得了良好的效果，能够有效控制结构扭转[1]。

同时，采用屈曲约束支撑加固较传统加固方式而言，具有施工速度快、较为经济和维修更换方便等特点，是一种具有广阔应用前景的耗能减震构件。

关键词: 屈曲约束支撑；框架结构；加固
1工程实例简介
2008年的汶川地震造成国家巨大经济损失和人员死亡，同时大量中小学校舍倒塌，致使很多中小学生罹难。

安徽地区在全省中小学校开展校舍安全鉴定、进行抗震加固、提高综合防灾能力建设，使学校校舍达到重点设防类抗震设防标准，并对于不符合鉴定要求的建筑物要进行相应的加固处理。

本次加固设计的建筑为合肥市包河区元一柏庄小学教学楼。

建于2003年，混凝土框架结构，建筑面积约6200，建筑物长约100m，宽约50m，层高3.9m，主体结构四层，屋顶有两处局部突起，建筑物平面布置不对称，呈明显的锯齿形（图1）；建筑物内大空间的房间较多（图2），跨度较大，房间平面布置没有规律性，大小房间交错布置；楼梯沿着建筑物的外边缘设置（图3），对于结构的抗震极为不利；建筑物悬挑装饰构件较多（图4），悬挑长度较大，对于建筑物在地震中的安全性没有保障。

图1 柏庄小学正立面图2 大空间活动厅
图3 柏庄小学侧面楼梯图4 外装饰构件
建筑物平面凹凸不规则，一侧凹进尺寸大于投影方向总尺寸的30%，不满足《建筑抗震设计规范》第3.4.2条；而且作为复杂体型建筑，教学楼也未设置结构缝，不满足《建筑抗震设计规范》第3.4.5条。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223-2008第6.0.8条的要求，中、小学的教学用房和学生宿舍、食堂等建筑的抗震设防类别划分为乙类，其抗震措施提高一度，依据《建筑抗震设
计规范》第6.1.2条，中小学校舍房屋的混凝土框架等级由以前的三级提高到二级。

框架等级的提高就必然形成结构物梁柱等构件的配筋不足，计算现有建筑物配筋的不足情况、采取何种方式加固及加固前后的对比情况是本章介绍的重点。

2采用屈曲约束支撑加固
首先依据原有结构图纸和现场确认，采用结构设计软件对建筑物进行建模，模型平面图如图5所示。

图5 元一柏庄小学模型平面图
其次，按照建筑物提高抗震等级后的设计参数，利用结构设计软件对结构进行设计，得到各层梁、柱的配筋图，将梁、柱配筋图与原设计的梁、柱配筋图进行比较，可以得到所有缺少配筋的构件。

计算对比分析得出房屋大量结构构件配筋面积不足，14个框架梁端部负弯矩纵筋配筋不足，6根次梁负弯矩纵筋配筋不足，82根柱纵筋配筋不足，6根柱的箍筋配筋不足，另外还有14根柱轴压比不满足要求。

计算结果显示该教学楼扭转效应较为明显，扭转振型出现在第二周期，扭转系数值为0.68。

按照传统加固方法[2]，对于梁端负弯矩处配筋不足，采用在梁顶部粘钢加固；对于纵筋和箍筋不足的柱采用包角钢和钢箍加固方法；采用浇注混凝土扩大截面尺寸的方法法，来满足柱构件轴压比的要求。

如果采用传统加固方法，逐个进行外包钢或扩大截面加固，将带来很大的施工量和较长的施工工期[3]；此外，边柱和角柱的加固作业将影响外立面和原有建筑功能和风格。

对于中小学建筑受功能和时间影响突出的情况下，必须采用加固周期短的方式，传统加固方法就显得不是很适用。

因此，结合工程实际情况，提出采用屈曲约束支撑加固的方案。

为了解决建筑物整体抗震性能差以及配筋大量不足的问题，在建筑物某些部位设置屈曲约束支撑。

经过反复调算，加设屈曲约束支撑的平面布置图如图6所示，在每一轴上设置的支撑在楼层竖向分布如图7所示，共计使用34根屈曲约束支撑，包括四种型号（BRB1、BRB2、BRB3、BRB4）。

图6 屈曲约束支撑平面布置图
节点设计是加固工程中重要的一点，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，所以节点设计需要重点设计。

屈曲约束支撑和梁、柱之间连接采用25mm厚钢板（Q235B）焊接，钢板与现有梁、柱采用M20化学螺栓植入式连接，具体螺栓数量根据屈曲约束支撑屈服承载力、外形尺寸等来进行确定，施工后节点如图8所示。

a）2轴BRB竖向布置b）6轴BRB竖向布置c）12轴BRB竖向布置
图7 屈曲约束支撑楼层竖向布置图
a）加固后两支撑连接中间节点b）加固后支撑与梁、柱连接边节点
图8 加固后节点现场图
3加固前后对比分析
在结构中布置34根屈曲约束支撑后，结构的扭转周期由加固前的第二周期转变为第三周期中出现，扭转系数值由0.67降低为0.62，加固前后周期改变情况见表1。

表1加固前后结构周期对比表
加固前后X向和Y向的层间位移角出现了改变，X向层间位移角在加设支撑后减小，其中第二层明显减小，加固前后层间位移角对比曲线如图9所示。

图9 结构加固前后X向层间位移角对比曲线
本工程采用屈曲约束支撑加固来改变原有结构的受力体系，使其偏向于框架-耗能支撑结构体系[4]，结构抗震性能得到较大提高，加固后的结构满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标；采用屈曲约束支撑加固能够很好的调整结构的扭转效应，使得结构的质心和刚心重合或接近重合；采用合理的屈曲约束支撑加固方案能够减小结构位移；采用屈曲约束支撑加固，与传统的加固方案比较能减少湿作业，施工周期短，经济合理，施工方便，而且便于后期的维护与更换。

参考文献：
[1] 周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
[2] 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.
[3] 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.
[4] 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.
收稿日期：
作者简介：方明（1958—），男，安徽肥东人，安徽三建工程有限公司工程师。