屈曲約束支撐在某高層設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王紅松　（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽　合肥　230001）

屈曲約束支撐在某高層設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王紅松（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥230001）

以實(shí)際工程為例，介紹了屈曲約束支撐在高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)方法，分析了屈曲約束支撐在多遇地震及罕遇地震下對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。結(jié)果表明：屈曲約束支撐可以有效地控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)變形，明顯改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

屈曲約束支撐；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；混凝土框架；抗震性能

0　前言

汶川地震以后，消能減震結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，越來(lái)越多的工程人員和研究人員意識(shí)到消能減震技術(shù)的重要性。

屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐，是重要的消能減震技術(shù)之一，最早發(fā)展于1973年日本；1994年北嶺地震后，美國(guó)也開(kāi)始對(duì)屈曲約束支撐體系進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)研究和大比例試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點(diǎn)。屈曲約束支撐可為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力，采用屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。本文通過(guò)某工程實(shí)例，介紹了屈曲約束支撐在高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)，可為今后相似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1　工程概況

花園賓館改擴(kuò)建項(xiàng)目位于合肥市長(zhǎng)江中路與花園街交口的西北角，項(xiàng)目總建筑面積約14.4萬(wàn)m2，地下5層，地上包括1棟超高層、1棟高層住宅及1棟9層獨(dú)立商業(yè)裙房。根據(jù)建筑功能需求，商業(yè)裙房采用框架結(jié)構(gòu)，裙房首層層高5.4m，2～6層層高4.5m，7層層高5.0m，8、9層層高4.5m，結(jié)構(gòu)高度41.4m。

由于商業(yè)裙房地下室及建筑布置復(fù)雜，剪力墻在豎向無(wú)法保證其連續(xù)性，同時(shí)為了解決超限問(wèn)題需增加梁柱截面尺寸來(lái)增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。相對(duì)于剪力墻布置的諸多限制，同樣能有效提供抗側(cè)剛度，且布置靈活多變的屈曲約束支撐，只需在上部結(jié)構(gòu)局部設(shè)置屈曲約束支撐，便很好的解決了框-剪結(jié)構(gòu)剪力墻無(wú)法落地的問(wèn)題。因此，結(jié)構(gòu)型式最終選用帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)基本參數(shù)　表1

2.2結(jié)構(gòu)布置

該項(xiàng)目建筑形體及其構(gòu)件布置存在平面凹凸及豎向收進(jìn)兩項(xiàng)一般性不規(guī)則，采用純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及樓層位移比將無(wú)法滿足規(guī)范要求，造成結(jié)構(gòu)超限，屈曲約束支撐能夠同時(shí)解決側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度不足的問(wèn)題。因此，沿結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向及剛度突變位置，分別沿建筑物高度連續(xù)設(shè)置屈曲約束支撐，使得整體結(jié)構(gòu)具有合適的側(cè)向剛度的同時(shí)，又提高了結(jié)構(gòu)的延性。

屈曲約束支撐平面布置圖及計(jì)算模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1、圖2。抗震設(shè)計(jì)中共采用了70根TJII型屈曲約束支撐，支撐屈服承載力1200kN，屈曲約束支撐主要截面參數(shù)見(jiàn)表2。

屈曲約束支撐主要截面參數(shù)　表2

圖1　屈曲約束支撐平面布置圖

圖2　計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

2.3計(jì)算方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

依據(jù)規(guī)范［1］要求，本工程采取兩階段設(shè)計(jì)的方法。在不同的設(shè)計(jì)階段，屈曲約束支撐采取不同的工作狀態(tài)參與整體結(jié)構(gòu)受力，計(jì)算方法也不相同。

①小震及風(fēng)荷載下，要求屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài)；計(jì)算采用通用計(jì)算程序（PKPM），在結(jié)構(gòu)模型中輸入屈曲約束支撐按剛度和強(qiáng)度等效成普通矩形截面的鋼支撐，支撐在計(jì)算中不考慮受壓失穩(wěn)問(wèn)題和支撐長(zhǎng)細(xì)比要求。通過(guò)改變支撐等效截面面積、增加支撐數(shù)量、改變支撐布置形式或平面布置位置等措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

②罕遇地震作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性或彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角是否滿足規(guī)范要求，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸狀態(tài)。分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)大震不倒的要求。

③整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼比不應(yīng)大于0.045，或按混凝土框架部分和屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)總變形能所占的比例折算為等效阻尼比［1］，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角宜按框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)插，控制在1/600～1/700。極限變形應(yīng)滿足罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角的限值1/80的要求。

④為保證耗能型屈曲約束支撐的耗能能力，其節(jié)點(diǎn)連接承載力按不小于1.2倍屈曲約束支撐的極限承載能力設(shè)計(jì)，保證屈曲約束支撐在罕遇地震下仍能有效工作，連接方式采用焊接方式。

3　多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

分析采用PKPM-SATWE進(jìn)行計(jì)算，對(duì)框架結(jié)構(gòu)采用和不采用屈曲約束支撐的2種計(jì)算方案進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

采用和不采用屈曲約束支撐的計(jì)算結(jié)果對(duì)比　表3

由表3可以看出，通過(guò)增加屈曲約束支撐，結(jié)構(gòu)的周期比、最大層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求，避免了因結(jié)構(gòu)不規(guī)則造成的超限問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)形態(tài)得到明顯改善，有效降低了扭轉(zhuǎn)變形對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能的不利影響。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及抗扭剛度均得到提高（見(jiàn)圖3），結(jié)構(gòu)雙向水平抗側(cè)剛度均增加了15%左右，框架梁、框架柱及屈曲約束支撐均處于彈性變形狀態(tài)。

圖3　地震作用下樓層側(cè)移剛度對(duì)比曲線圖

4　罕遇地震作用下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

本工程在結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行彈塑性非線性分析，通過(guò)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析查看罕遇地震作用下各構(gòu)件的塑性狀態(tài)，了解結(jié)構(gòu)的薄弱部位及塑性鉸的發(fā)展趨勢(shì)；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角是否滿足規(guī)范要求。

彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析采用程序PKPM系列EPDA進(jìn)行，計(jì)算中混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三線性模型，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線采用雙折線模擬，強(qiáng)化系數(shù)取為0.01。結(jié)構(gòu)層間位移角如表4所示，從分析結(jié)果可以看出，層間位移角滿足混凝土框架罕遇地震下層間位移角限值的要求。

樓層最大位移及層間位移角　表3

通過(guò)分析結(jié)構(gòu)塑性鉸的形成圖可以看出，屈曲約束支撐在罕遇地震作用下充分發(fā)揮了其耗能性能好的特征，首先出現(xiàn)塑性鉸，隨后少部分框架梁屈服，框架柱基本未出現(xiàn)塑性鉸，整體結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”形式，形成合理的屈服機(jī)制。圖4為罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)展情況。

圖4　罕遇地震作用下樓層塑性鉸形成圖

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的研究分析，介紹了屈曲約束支撐在不規(guī)則高層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

①在多遇地震作用下，屈曲約束支撐適度增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)各層的剛度分布趨于均勻合理，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

②在罕遇地震作用下，屈曲支撐作為結(jié)構(gòu)的第一道防線，支撐率先屈服耗能，減小主體框架結(jié)構(gòu)的損傷，同時(shí)屈曲支撐屈服后具有穩(wěn)定的承載力和延性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的有限增加和延性破壞機(jī)制。

③增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，滿足扭轉(zhuǎn)位移比以及扭轉(zhuǎn)平動(dòng)周期比的要求，解決結(jié)構(gòu)超限問(wèn)題。

④由于屈曲支撐布置在建筑外圍，對(duì)于本工程地上商業(yè)大空間和地下建筑布置的合理性都具有非常重要的意義。

［1］GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］王秀麗，蔡建輝.帶BRB的不規(guī)則框架抗震性能研究［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）.

［3］王建華，于巖磊.帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑技術(shù)研究，2013（5）.

［4］季俊杰.屈曲約束支撐在不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2011（3）.

［5］石勇，等.屈曲約束支撐在教學(xué)樓設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.山西建筑，2015（20）.

［6］杜英杰.屈曲約束支撐在某醫(yī)院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.四川建筑，2016（1）.

［7］朱增強(qiáng).屈曲約束支撐在某商業(yè)建筑中的應(yīng)用［J］.華北地震科學(xué)，2015（33）.

［8］解志強(qiáng).屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2012（10）.

TU375.4

A

1007-7359（2016）04-0116-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.046

王紅松（1981-），男，安徽桐城人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士；工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。