屈曲約束支撐在大同客運東站工程中的應用

孫 曉 霞

(大同市建筑設計研究院，山西 大同 037006)

根據住房和城鄉建設部2014年文件，要有序推進建筑工程應用減隔震技術，確保工程質量。位于抗震設防烈度8度以上地震高烈度區、地震重點防御區或災后重建階段的新建3層以上學校、幼兒園、醫院等人員密集公共建筑，應優先采用減隔震技術；鼓勵重點設防類、特殊設防類建筑和位于抗震設防烈度8度以上高烈度區的建筑采用減隔震技術。山西省全省77%的面積屬于高烈度區，尤其大同、朔州、忻州為重點危險區，因此山西省提出了更高的要求，對于抗震設防烈度8度的地區、地震重點危險的地區學校和幼兒園的新建的教學用房、學生宿舍、學生食堂以及醫院的新建醫療建筑，必須采用減隔震技術；重點設防類、特殊設防類建筑，優先采用減隔震技術；標準設防類建筑，提倡采用減隔震技術。現在減隔震技術在山西省已得到一些應用，但在大同應用的并不多。2015年《中國地震動參數區劃圖》修訂，2016年8月，《建筑抗震設計規范》修訂，大同城區、礦區、南郊區、大同縣的抗震設防烈度都提高到了8度，因此抗震設計中減隔震技術的推廣形勢十分嚴峻。

結構在地震作用下會產生振動，過大的結構振動不僅會影響它的正常使用，還會造成主體結構的破壞，甚至倒塌。為了保護人們生命財產安全，減輕地震災害，各國的土木工程技術人員致力于提高結構的抗震能力的研究，并且形成了一套完整的抗震設計理論。主要是通過增加結構自身剛度、強度和延性的方法，使設計的結構滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設防要求，結構處于被動抵御地震的狀態。屈曲約束支撐(Buckling Restrained Braces,簡稱BRB)是一種新型的，不同于傳統支撐的支撐構件。它利用鋼材宏觀上發生軸向拉壓塑性變形來消耗地震能量的耗能減震裝置，同時受到軸力的時候不會發生屈曲失穩，所以跟傳統的支撐相比，耗能能力提高很多，使用了屈曲約束支撐的結構體系的抗震性能都得到了很大的提升。所以，屈曲約束支撐適用于大跨度結構、高層結構和現有結構的加固改造工程，在這些工程中它的優良性能對結構安全性的提高得到很好地體現。因此，深入開展對于屈曲約束支撐構件及其結構體系的研究，為工程提供經驗，從而進一步推廣使用就成為非常有意義的工作。

屈曲約束支撐由兩部分組成，一是外圍約束，二是承受軸力的鋼支撐內核芯材，兩者之間通過填充砂漿或者混凝土來達到外圍約束對內核芯材的約束作用，防止內核芯材受壓屈服。混凝土和鋼支撐內芯之間通過潤滑材料分開，以使鋼支撐的內芯能夠在混凝土中產生滑動。在地震作用下，支撐的內芯主要承擔主體結構受到的水平地震力，而約束構件僅對支撐的受壓屈服提供限制，從而使屈曲約束支撐在拉壓兩個方向都接近二力桿受力。外圍的約束套管是由鋼板、鋼管或鋼筋混凝土空心管組成，鋼支撐內芯是由低屈服點的鋼材制作而成，分為核心段、過渡段、連接段三部分。其中核心段使屈曲約束支撐是受力最關鍵的區域，全長都被外圍約束結構包裹著。核心段的截面形式多種多樣，主要有一字型、十字型、工字型等，而以十字型最為普遍。

屈曲約束支撐設置的部位應能最大限度地發揮它的耗能作用，同時又不能影響建筑的使用功能，而且還要能滿足結構整體受力的需要。屈曲約束支撐可以按照下面原則布置：

1)地震作用下產生較大層間位移的樓層。

2)地震作用下產生較大結構內力的部位。

3)宜沿著結構的兩個主軸方向分別設置。

4)可采用單斜撐、人字型、V字型布置，也可以采用偏心支撐布置。當采用偏心支撐布置時，應保證支撐先于框架梁屈服。

屈曲約束支撐制作精度要求較高，需要專門的廠家制作，安裝，使用中后期維護，并有嚴格的產品制作和驗收標準。

1 大同客運東站工程概況

大同汽車客運東站位于山西省大同市御東新區，為新建汽車站，用地周邊比較空曠，用地北側為規劃路，東側為文瀛湖引水渠，南側為北環路。

項目總占地面積161 109.35 m2(約241.66畝)，其中汽車站用地面積140 538.41 m2(約210.8畝)，代征道路用地面積20 570.94 m2(約30.86畝)。

項目為一級汽車站，建筑占地面積15 341.5 m2，總建筑面積34 150.89 m2(其中地上建筑面積33 621.39 m2，地下建筑面積529.5 m2)。由客運綜合樓、綜合辦公樓、例檢洗車、修理車間、加油加氣站等五組建筑組成。其中，客運綜合樓功能復雜、體形較大、結構形式多樣，具體分區見圖1。

1)基本風壓(50年一遇)：Wo=0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2)基本雪壓(50年一遇)：So=0.25 kN/m2。

3)抗震設計標準。

本工程場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g(第二組)。

建筑抗震設防類別：客運綜合樓為重點設防類。

4)本工程結構設計使用年限50年。

候車大廳(A3區)具體情況如下：

結構形式采用鋼筋混凝土框架結構。框架抗震等級為一級(大跨度公共建筑)，候車廳大跨度擬采用預應力鋼筋混凝土梁。布置了屈曲約束支撐的空間模型見圖2。

2 抗震設計及問題

按抗震規范要求，需加強結構整體性分析與計算。

1)采用有限元分析與設計軟件SATWE進行結構分析計算，考慮豎向地震力和偶然偏心以及平扭耦連，充分考慮扭轉效應，振型數達到18個，振型有效質量大于90%。

2)設置六道柱間屈曲約束支撐，根據建筑功能要求，本工程屈曲約束支撐主要布置在建筑的四個邊。從而增大整體結構抗扭剛度，有效減小了平面扭轉的問題；提高結構耗能能力和延性能力，改善了結構抗震性能。

本工程采用PKPM-SATWE進行結構整體分析，對結構進行多遇地震作用下的內力和變形分析時，假定結構與構件處于彈性工作狀態，內力和變形分析采用線性靜力方法進行。

計算結果各項控制指標均在現行規范容許范圍之內，構件基本無超筋現象。客運綜合樓A3區的整體分析部分結果如表1所示。

表1 客運綜合樓A3區SATWE計算結果

3 結語

通過結構在地震作用下的分析，可以得出如下結論：

1)本工程采用PKPM軟件進行多遇地震作用下，結構周期、層間位移角、位移比、剛重比等主要結構力學指標的計算，結構的主要指標數值均在合理范圍內，符合抗規及高規的要求。屈曲約束支撐承擔了約20%的基底剪力，很好地起到第一道防線的作用，從而增加了結構在地震作用下的可靠性。屈曲約束支撐既能在小震階段為結構提供抗側剛度，也能在中震、大震作用下耗能，從而為整體結構提供了附加阻尼，減輕主體結構的震害。

2)抗震性能分析結果表明，通過合理地布置屈曲約束支撐，選用合理的設計參數，可以實現設置屈曲約束支撐框架達到在小震作用下主體結構完好、在中震作用下輕微損壞可修、在大震作用下中等破壞不倒的抗震性能目標。

3)屈曲約束支撐在大震階段耗能效果明顯，構件設計時要重視核心單元材料的選取，從而確保屈曲約束支撐的塑性變形能力和耗能能力。

在結構設計時，設計人員應重視結構體系的選擇，并應做詳細的技術經濟分析，以確保結構的受力體系的合理性。選用屈曲約束支撐，能為主體結構提供地震時的耗能能力，從而減小結構主體受到的地震力，為結構提供了類似“保險絲”的功能。該工程在地震作用下的結構反應與預期相符，并且滿足規范的要求。本工程結構選型合理，受力明確，大震作用下結構的安全性大大提高，可為高烈度地區的類似工程提供較好的借鑒作用。