防屈曲支撑在某车间改造加固中的应用.pdf

'第39卷第36期山西建筑Vol_39No．362013年12月SHANXIARCHITECTUREDec．2013·37··结构·抗震·／文章编号：1009-6825(2013)36"0037-03防屈曲支撑在某车间改造加固中的应用陈灏周志刚徐杰王瑞(1．上海烟草集团有限责任公司，上海200082；2．上海同程建设科技工程有限公司，上海200092；3．同济大学建筑工程系，上海200092)摘要：以某工厂车间改造加固设计为案例，对防屈曲耗能支撑在建筑改造加固中的应用进行探讨，结合PKPM有限元软件进行计算分析，结果表明加防屈曲耗能支撑后，结构层问位移角满足规范要求，有效地改善了结构在地震作用下的扭转效应，具有良好的耗能减震性能，达到了预期加固效果。关键词：防屈曲耗能支撑，加固，改造中图分类号：TU746．3文献标识码：A0引言外立面装饰设计配合。20世纪30年代，框架结构是建筑中应用十分广泛的结构，由结合综上特点，改造设计中采用防屈曲耗能支撑。防屈曲耗于建筑年代久远，受当时建筑科技水平的限制，纯框架结构的抗能支撑布置能最大限度地发挥其耗能作用的部位，同时不影响建筑侧刚度有限，在地震和较强风荷载作用下，侧向位移较大，难以满功能与布置，并满足结构整体受力的需要。建筑效果图见图1。足现行规范要求；框架一支撑结构在一定程度上解决了结构抗侧刚度的问题，但普通支撑在地震作用下受压时易产生屈曲现象，极易造成支撑本身的破坏或失效，同时支撑屈曲后的滞回耗能能力变差，很难有效的耗能，使结构抗震能力降低。本文结合某建于1930年的老建筑的改造加固实例，对防屈曲耗能支撑(BRB)在建筑改造加固中的应用进行探讨。1工程概况图1建筑效果图1．1原建筑概况某建筑位于上海市区内，建于1930年，原为烟叶初加工车2原结构抗震性能分析间，主要功能为机修、维修、零配件仓库等工厂的辅助功能。在某参照原结构图纸及检测结果，使用PKPM有限元结构设计软次改造中，建筑局部增加1层。件对该结构进行建模分析，以评估原结构的抗震性能。在刚性楼该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0．10g。板假定下计算结构自振周期及层间位移角。表2给出了原结构设计地震分组为第一组，场地类别Ⅳ类。前3阶自振周期及其振型特征，原结构以扭转为主的第一周期与1．2结构体系以平动为主的第一周期之比为1．1405／1．2835=0．89<0．9。原建筑为3层钢筋混凝土框架结构，东西长70．1m，南北宽表2原结构自振周期69．31"I1，建筑高度l7．02ni，建筑平面整体呈矩形，分为南北两部振型周期／s振型描述l1．2835Y向平动分，中间设连廊。建筑基础为带桩条形基础，采用松木桩，桩长最21．2438向平动长7．62m，最短4．06m，条形基础沿横向(南北向)布置。原结构31．1405整体扭转构件尺寸及材料等级见表1。表3给出了地震作用下原结构最大层间位移角。可以看出，衰1原结构构件尺寸及材料等级主体结构3层以及4层的最大层间位移角均不满足规范要求，结构件楼层主要截面尺寸／lln材料强度构整体抗侧能力偏低。．底层559X559，432~432等表3层间位移角计算结果柱2层432x432，508×381等3层254~254等根据检测报告楼层向地震Y向地震规范限值2层305~615，254~448等推定混凝土：C1211／874l／868l／55O钢筋：210MPa梁3层305~615，254x448等2l／738l／6971／55O屋面254×394，203×343等31／359l／4101／55O41／1081／861／5501．3结构改造目标由于建筑形体和功能要求，结构楼面板局部缺失，楼层质量3结构整体加固设计分布极不均匀，以及结构平面不规则。考虑到本建筑已有80余3．1加固方式年历史，原有结构构件承载力、构造要求及抗震能力均不能满足前文对原结构进行抗震验算的结果显示，地震作用下原结构现行规范要求。从以下几方面对原结构进行改造修复：1)结构承的层间位移角不满足规范要求，原有结构体系不能提供足够的抗载能力补强；2)提高结构抗侧刚度；3)改善结构整体抗震性能；4)侧力，需对原有抗侧体系进行加强，以提高结构的综合抗震能力收稿日期：2013-10-16作者简介：陈灏(1973-)，男，工程师；周志刚(1980-)，男，工程师；徐杰(1983-)，男；王瑞(1988一)，男，在读硕士 38·第20391卷3年第1362期月山西建筑·为目标对上部结构进行加固设计。即从结构的承载力和延性两能减震能力，在中震时可率先屈服耗能，保护主要结构构件在中方面综合考虑，通过提高承载力、加强整体性的方法来改善结构震下不屈服；在大震时可以有效提高结构耗能能力，保证结构在的综合抗震能力。大震下安全。因此，本工程采用防屈曲耗能支撑进行加固改造。防屈曲耗能支撑有优良的滞回耗能性能和施工安装方便、经为从整体上改善结构抗震性能，在1层～3层设置屈曲约束支撑，济、设计灵活且不影响建筑物美观等诸多优点，使其不仅成为新以增大结构抗侧刚度，同时提高结构在地震作用下的耗能能力，建结构抗震设计的较佳选择，也成为已有结构抗震加固和改造的提高安全储备。重要手段。基于以上原因，通过设置屈曲约束支撑达到优化结构3．2防屈曲耗能支撑的布置体系、改善结构抗震性能的目的。屈曲约束支撑可有效增加结构在本建筑的加固设计中，在结构的1层～3层，于②轴，⑩轴的抗侧刚度和承载力，避免过多的加大框架柱截面，降低工程造各设置两道防屈曲耗能支撑，于④轴，①轴各设置一道防屈曲约价。另外，屈曲约束支撑延性性能好、耗能能力强，具有优越的消束耗能支撑，采用“人”字布置。结构布置平面图见图2。图2防屈曲耗能支撑平面布置图3．3防屈曲耗能支撑芯材承载力8×12。在结构计算中，防屈曲耗能支撑仅按防屈曲耗能支撑截36根防屈曲耗能支撑均采用Q235的芯材。支撑芯材截面取面计算，并按无失稳构件考虑。在PKPM中以斜杆形式“人”字形决于结构整体刚度要求及支撑截面强度验算要求。布置支撑进行加固后计算分析。根据结构的抗震性能要求，可以以防屈曲耗能支撑在设防烈度地震作用下保持弹性为依据确定其承载力。根据现行《建筑结构抗震设计规范》，此结构的抗震性能目标要求设防烈度下结构的层间位移角小于1／55o。采用整体结构弹性分析，通过反复试算，可初步确定防屈曲耗能支撑的刚度和承载力。结构所采用的防屈曲耗能支撑承载力为1646kN。曩支撑安装效果及其节点做法如图3，图4所示。图4支撑上部、下部节点做法4．2加固后结构性能采用结构设计软件SATWE对改造后的结构进行计算分析，结果显示改造后结构抗侧力得到显著改善。表4给出了改造后结构前3阶自振周期。扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0．9991／1．1885=0．84<0．9，满足规范要求。较原模型相比，抗侧刚度有了明显的图3防屈曲约束支撑安装效果提高，有效地改善了结构在地震作用下的扭转效应。加固后结构4BRB支撑加固效果分析的振型更加规律，结构的整体规则性得到提高。4．1结合PKPM建立模型根据现行规范要求，在刚性楼板假定条件下且不考虑偶然偏根据结构多次试算确定核心钢支撑的界面为H200×300×心及不考虑双向地震，计算层问位移角应满足规范要求。主要为 爹孝13膂陈灏等：防屈曲支撑在某车间改造加固中的应用·39·限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保结构应具有足够的影响建筑美观和功能要求。国外工程资料表明，防屈曲耗能支撑刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性及使用若用于已有建筑结构的改造加固，可节省可观的造价，有的改造要求。表5给出了地震作用下加固后结构最大层间位移角(已拆加固工程更能节省造价达60％左右。除的局部第4层未考虑)。由表5可以看出，布置支撑后，结构整表6典型支撑应力比计算结果体抗侧能力得到显著提升，结构向最大层间位移角1／616，Y向楼层屈服应力比稳定Y稳定l0．450．571．93最大层间位移角1／794，均能满足现行规范要求。20．460．551．51表4加固设计后结构自振周期30．540．641．76振型周期／s振型描述l1．1885Y向平动技术更为合理性，防屈曲耗能支撑提供安全储备。传统抗震21．1742|=r向平动结构体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求，但结构越30．9991整体扭转强、刚度越大，地震作用也随之会增大。这对于高层建筑以及大表5加固后层间位移角计算结果跨度结构等，会制约其发展和应用。而防屈曲耗能支撑则是通过楼层向地震y向地震规范限值设计耗能构件，使结构在出现变形时迅速消耗地震能量，保护主ll／988l／928l／55021／8271／835l／550体结构在地震作用下的安全。在强震中防屈曲耗能支撑能率先31／6161／794l／550进入耗能状态消耗输入结构中的地震能量及衰减结构的地震反为了更加直观体现加固前后计算层间位移角与现行规范的应，保护主体结构和构件免遭破坏从而确保结构在较强地震中的关系，图5，图6分别给出了结构方向、l，方向层间位移角包络安全性。曲线。此外，防屈曲耗能支撑具有损坏后便于更换，易于施工等诸多优越性。6结语1)在对建造年代比较久远的框架结构进行改造加固时，采用防屈曲耗能支撑，能够显著增加结构整体抗侧刚度，控制楼层在地震作用下的最大层问位移角，使加固后结构的振型更加规律，结构的整体规则性得到提高。这种方法可供同类改造加固工程参考。——规范限值十原结构+加固后结构2)从有效性和经济方面考虑，防屈曲耗能支撑更适合于既有层禺间主位移角包络曲线～层间111位6移~⋯角包络rNitt线篓提誓高结构器的抗震性能。黼瞄，综上所述，通过加固前后周期及层问位移角的对比分析，防3)在改造加固设计中，应充分考虑现场因素以及建筑物的建屈曲耗能支撑在多遇地震作用下不参与耗能(即未屈服)，只提供造年代，另外，在选择加固方法时也应充分考虑现场环境要求与附加刚度。通过使用防屈曲耗能支撑进行改造加固，提高了结构施工条件限制。抗侧力刚度从而优化结构体系，增强了结构的稳定性。参考文献：5防屈曲耗能支撑的优势[1]GB50367-2006，混凝土结构加固设计规范[s]．·传统抗震结构体系采用“硬抗”地震的途径，通过加强结构、[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]．加大断面、加多配筋等途径提高结构抗震性能，使结构的造价明[3]周云．防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M]．北京：中国显提高。传统的钢支撑在受压时会产生屈曲失稳，故往往需要加建筑工业出版社，2007·大支撑的断面以符合设计要求。而在结构计算中，防屈曲耗能支[4]陈灏，周志刚，王瑞，等．某烟草加工车间的改造加固设撑按无失稳构件考虑。{-l-[z]．以本加固工程为例，根据SATWE计算结果，表6给出了加固[5]周建龙，汪大绥，姜文伟，等．防屈曲耗能支撑在世博中心工后各层典型支撑的计算结果。程中的应用研究[J]·建筑结构，2009，39(5)：29-33．显然，对普通钢支撑而言会早早进入屈曲失稳，截面所受轴[6]同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室，上海蓝科钢力远远低于屈服承载力，材料使用效率极低，经济性差。通过加结构技术开发有限责任公司．TJ型屈曲约束支撑设计手册大普通钢支撑截面不仅在造价上造成浪费，而且过大的支撑截面[M]．第4版·上海：同济大学出版社，2009·TheapplicationofbucklingrestrainedbracesinrenovationofatobaccoprocessingworkshopCHENHao’ZHOUZhi-gang。xuJie。WANGRui。(1．ShanghaiTobaccoGroupCo．，Ltd，Shanghai200082，China；2．ShanghaiTongchengBuildingTechnology&EngineeringCo．，Ltd，Shanghai200092，China；3．DepartmentofBuildingEngineering，rongiiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：Takingthereconstructionconsolidationdesignofaworkshopasthecase，thepaperexplorestheapplicationofthebucklingrestrainedbracesinthearchitecturalreconstructionandconsolidation，unde~akesthecalculationanalysisbycombiningwithPKPMsoftware，andprovesbytheresultthattheinterstorydriftcanmeettheregulation，andthetorsioneffectcanbeimprovedundertheearthquakeeffect，andhavebetteren—ergydissipationpropertyafterthebucklingrestrainedbraces，SOitachievedexpectedconsolidationeffect．。Keywords：bucklingrestrainedbrace，consolidation，reconstruction'