約束屈曲支撐-混凝土框架結構體系的分析

王佳佳　孫　超

（航天長征化學工程股份有限公司　北京　101111）

1　引言

煤氣化裝置中由于工藝布置的特點等因素，較多的裝置廠房結構采用鋼支撐-混凝土框架結構體系。震害經驗表明，單一抗側力結構體系的破壞程度往往高于雙重抗側力結構體系，鋼支撐-混凝土框架結構體系屬于雙重抗側力結構體系。在地震作用下，鋼支撐形成結構的第一道防線，混凝土框架為第二道防線，滿足結構抗震計算中多道設防的要求。屈曲約束支撐是一種既可以為結構提供較大抗側剛度和承載力，又可以通過鋼材屈曲耗散地震能量以保護主體結構的優良抗震構件。在煤氣化裝置中采用屈曲約束支撐-混凝土框架結構體，將極大的提高結構的延性和抗連續倒塌的能力，采用屈曲約束支撐的結構體系，可以全面實現抗震設防三水準“小震不壞、中震可修、大震不倒”的性能目標要求。本文將著重論述屈曲約束支撐-混凝土框架結構形式在高烈度地區抗震性能。

2　約束屈曲支撐的工作原理

屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐或BRB（Buckling restrained brace），日本及美國等過在該領域都進行立大量的試驗研究和工程設計應用。研究結果及實際應用效果表明，屈曲約束支撐在彈性階段可以為結構提供很好的剛度和充分的承載力，在彈塑性階段可以起到較好的耗能減震的作用。

屈曲約束支撐一般有內部核心部件與外包構件組成，使支撐構件在反復荷載作用下屈服而不屈曲。內部核心構件一般由延性較好的低屈服點鋼材組成，外包構件有鋼結構或混凝土結構組成。

屈曲約束支撐是一種無論受拉還是受壓都能達到全截面屈服的軸向受力構件。為避免芯材受壓時整體屈曲，使其在受拉和受壓時都能達到屈服，在套管內灌注填料來約束芯材，保證芯材不會發生面外失穩。因此，屈曲約束支撐在受壓和受拉時具備同樣的剛度和承載力。

與普通鋼支撐相比，屈曲約束支撐具有以下特點：

（1）剛度和承載力的可設計性更強：普通鋼支撐的剛度往往由穩定性控制，從而導致其承載力可設計性不強；而屈曲約束支撐的承載力可以完全由截面大小來確定，不必考慮截面過小而引起的穩定性問題。

（2）避免人字型支撐中的剪力不平衡：以往的震害表明，普通鋼支撐以人字形布置時，在不發生失穩時，人字撐兩端帶給上部結構梁的合力方向為水平向；但當受壓一側支撐由于喪失承載力時，會帶給上部結構梁額外的剪力，造成梁剪切破壞。

（3）提供更大的變形能力和更優的低周疲勞性能：屈曲約束支撐芯材為高性能軟鋼，具有更大的變形能力和底周疲勞性能。

（4）提供穩定的滯回耗能能力，消能減震：屈曲約束支撐是一種位移型阻尼器，芯屈服后可以提供很強的滯回耗能能力，為結構提供附加阻尼，從而減小地震作用。

3　約束屈曲支撐抗震性能分析

本文以實際工程為背景，著重研究約束屈曲支撐-混凝土框架的抗震性能。

3.1　工程概況

該裝置為煤氣化裝置中的渣及灰水裝置，該裝置結構形式為混凝土框架結構，抗震設防分類為乙類；抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度為0.2g；設計地震分組為第一組；建筑場地類別為Ⅲ類；設計特征周期值0.45s；結構抗震等級為一級。

該裝置為地上四層現澆鋼筋混凝土結構，建筑總高度30.5m，應工藝流程布置的要求，建筑層高分布不均勻，樓板存在較大開孔，質量分布不均勻，樓層平面長寬比較大，結構布置屬于特別不規則建筑。

3.2　方案選型

本工程擬采用兩種不同的結構形式，對比分析結構的優缺點，采用更合理的結構形式以滿足工程需求。分別選取混凝土框架和采用屈曲約束支撐-混凝土框架結構。分別對混凝土框架和采用屈曲約束支撐-混凝土框進行多遇地震下的彈性計算分析和罕遇地震作用下的彈塑性計算分析。

4.破膜引苗 播種12—15天左右，幼苗長出2—3片真葉，且幼苗葉片頂膜后及時破膜引苗。不及時破膜會造成燒苗現象。

3.3　屈曲約束支撐的布置原則

屈曲約束支撐布置位置在滿足工藝流程的前提下應布置在其能最大限度的發揮耗能作用的位置：

（1）地震作用效應較顯著的位置。

（2）地震作用樓層層間位移較大的樓層。

（3）約束屈曲支撐應沿兩個受力主軸分別布置。

采用屈曲約束支撐時，宜采用人字形支撐，成對布置的單斜桿支撐形式，不應采用K形或X形，支撐與柱夾角宜在35～55°之間[1]。

3.4　地震波輸入

對不規則結構進行時程分析時，應選取不少于三組加速度時程曲線。并應按建筑場地類別和設計地震分組采用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于2/3[1]。

模型進行時程分析計算時，主分量峰值加速度取400cm/s2，主分量峰值加速度、次分量與豎直分量的加速度的比值為1：0.85：0.65。

3.5　阻尼的選取

阻尼比在結構工程領域是結構動力學的一個重要概念，指阻尼系數與臨界阻尼系數之比。對于結構基本處于彈性狀態的情況，結構的阻尼比一般取0.045，或按混凝土遇鋼支撐不同材料分別采取不同的阻尼比；在罕遇地震作用下彈塑性分析阻尼比取0.05。

3.6　控制參數的選取

屈曲約束支撐-混凝土框架在多遇地震作用下，結構彈性層間位移角限制宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用下結構彈性層間位移角限制宜控制在1/80[4]。

3.7　抗震驗算對比分析

對混凝土框架、屈曲約束支撐-混凝土框架兩個模型進行多遇地震及罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析后，就結構周期、間位移角做簡要對比分析，闡述屈曲約束支撐對混凝土框架抗震性能的改善。

3.7.1結構周期對比分析

由于結構平面長寬比較大，結構質量分布不均勻，質量中心與結構剛度中心不重合，使混凝土框架結構扭轉明顯；通過布置屈曲約束支撐，通過調整支撐布置，使結構質量中心與結構剛度中心趨于重合，很好的改善了結構的扭轉效應，使結構受力趨于合理（見表1）。

3.7.2層間位移角對比分析

多遇地震作用下計算結果表明，設置屈曲耗能支撐明顯提高結構抗側剛度，層間位移角降低約20%（以首層為例），使結構設計滿足抗震設計要求；罕遇地震作用下計算結果表明，屈曲支撐設置有效的降低了層間位移，層間位移角降低約41%（以首層為例），較好的控制了結構的變形。

表1　周期對比分析

表2　層間位移角對比分析

4　結論與建議

煤氣化廠房采用屈曲約束支撐-混凝土框架在多遇及罕遇地震作用下均具有良好的抗震性能。通過對比分析混凝土框架結構與屈曲約束支撐-混凝土框架表明：

（1）設置屈曲約束支撐后，可以有效的調整由于工藝布置原因帶來的結構質量中心與剛度中心不重合而導致結構扭轉的問題，改善混凝土框架的抗震性能。

（2）設置屈曲約束支撐后，框架結構的整體抗側剛度顯著提高，彈性及彈塑性層間位移角明顯降低。

屈曲約束支撐-混凝土框架在煤氣化裝置中具有良好的應用前景。