防屈曲支撐在高位機廠房抗震結構中的應用

張小璇

上海藍科建筑減震科技股份有限公司 上海 200433

1 工程概況

某工業建筑用于承載汽機和鍋爐，二者分布于2棟相鄰的結構。其中一棟的主體結構采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，結構層高差較大，開洞較多且不規則，其標高81 m的運轉層用于承載高位汽機，質量達到6 000 t以上；與其緊鄰的鍋爐廠房則采用純鋼框架支撐結構，該廠房內設備與高位機廠房中的汽機存在管道連接，為保障設備正常使用，抗震設計須滿足如下設計目標：高位汽機標高處，2棟結構在小震作用下沿結構y方向的變形差最大值不超過15 mm；結構抗震等級按照1級；在多遇地震下，全結構須完全保持彈性。

由于該結構不規則程度較高，且需滿足82 m標高處由于管道設備需求的變形要求，為提高結構抗震性能，同時增加2棟框架結構的變形協調性，本文提出在2棟結構之間設置3道延性較好的屈曲約束支撐方法。

2 屈曲約束支撐方案

2.1 屈曲約束支撐結構特性

屈曲約束支撐（BRB）是一種金屬耗能結構構件，由芯材、外套筒以及套筒內無黏結材料組成。它既可以在小震下作為抗側力構件，也可以在大震下作為建筑“保險絲”，保護主體結構大震下不發生嚴重損壞[1-2]。

傳統普通支撐，受壓容易發生整體屈曲，造成結構的承載力和剛度急劇降低。且在往復荷載作用下，普通支撐的受壓承載和變形能力遠遠弱于受拉，其滯回性能較差。相對于普通支撐，屈曲約束支撐承載力高、剛度大，具有較好的延性和滯回耗能能力。已有大量試驗研究佐證，屈曲約束支撐應用于混凝土框架中能夠顯著改善其抗震 性能。

2.2 屈曲約束支撐布置及選型

高位廠房與鍋爐房在26、58 及70 m處，通過BRB相連接以提高兩單體結構的協同工作性能，如圖1所示。

圖1 BRB布置方案

BRB使用軟鋼芯材LY160，其相關參數的具體設置如表1所示。

表1 防屈曲支撐參數

3 分析模型

采用通用有限元分析軟件SAP2000（V19.0）建立結構分析模型（圖2）。

圖2 SAP有限元模型

4 非線性時程分析

本節對聯算模型分別進行多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下的時程分析。多遇地震工況下采用5條天然波（S181、S586、S667、S868、S919）和2條人工波（AT-1、AT-4）進行雙向地震輸入，設防地震及罕遇地震工況下采用2條天然波和1條人工波進行雙向地震輸入，多遇地震工況、設防地震工況、罕遇地震工況下的有效峰值加速度分別按照18、50、125 gal（分別約合0.018g、0.051g、0.128g）輸入。天然波、人工波反應譜如圖3所示。經計算，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》的相關要求，如表2所示。

圖3 多遇地震下地震波反應譜

表2 動力時程分析基底剪力與反應譜法對比 單位：kN

主要考察結構在多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下的樓層剪力分布及層間位移角分布情況，考察結構在設防地震及罕遇地震作用下的彈塑性性能，驗算BRB在各階段的工作狀態，使其在多遇地震及設防地震作用下保持在彈性工作狀態，罕遇地震作用下處于屈服耗能狀態，同時驗算防屈曲支撐在風荷載作用下的工作狀態，著重考察高位機廠房及鍋爐鋼架在82 m標高處的相對變形情況。

4.1 多遇地震結果

高位廠房在多遇地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/2 602，y向的最大層間位移角為1/3 811，均滿足規范中對于框剪結構1/800層間位移角限值的要求。

鍋爐房在多遇地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/3 812，y向的最大層間位移角為1/2 969，遠小于規范對于鋼框架1/250層間位移角限值的要求。在風荷載作用下及多遇地震作用下，BRB的承載力及位移均未超過屈服承載力及屈服位移，表明BRB保持在彈性工作狀態，能很好地連接高位廠房及鍋爐房。

高位廠房與鍋爐房相對位移的大小能在一定程度上反映二者間的協同工作性能，取高位廠房右端部與鍋爐房左端部相對應點處相對位移的不利情況作為兩者間的相對位移SP1、SP2。結果顯示，SP1處在各時程工況下的最大相對位移為6.49 mm，SP2處在各時程工況下的最大相對位移為6.52 mm，均未超過15 mm的設計要求。

4.2 設防地震結果

高位廠房在設防地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/1 480，y向的最大層間位移角為1/1 641，結構基本處于彈性階段。鍋爐房在設防地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/625，y向的最大層間位移角為1/714，表明結構處于彈性工作階段。

設防地震工況下，高位廠房與鍋爐房左右端部相對應點處的相對位移時程曲線， SP1處在各時程工況下的最大相對位移為7.49 mm，SP2處在各時程工況下的最大相對位移為7.57 mm，也均小于15 mm要求。

4.3 罕遇地震結果

罕遇地震工況下使用的地震波數據與設防地震相同。高位機廠房在罕遇地震作用下，x向的最大層間位移角為1/621，y向的最大層間位移角為1/739，結構處于彈塑性工作階段，滿足現行規范對框剪結構1/100層間位移角限值的要求。鍋爐鋼架在罕遇地震作用下，x向的最大層間位移角為1/592，y向的最大層間位移角為1/594，表明結構基本處于彈性工作階段。

屈曲約束支撐在地震波作用下大部分進入屈服段，圖4給出了典型屈曲約束支撐的滯回曲線。由滯回曲線可以看出，屈曲約束支撐在地震作用下性能穩定，滯回飽滿，能夠充分發揮耗散地震能量的作用。

圖4 罕遇地震作用下典型屈曲約束支撐滯回曲線

從結果可以看出：SP1處在各時程工況下的x方向最大相對位移為37.06 mm，SP2處在各時程工況下的x方向最大相對位移為37.49 mm；SP1處在各時程工況下的y方向最大相對位移為19.76 mm，SP2處在各時程工況下的y方向最大相對位移為17.93 mm。

從聯算結構在各地震波罕遇地震工況下的塑性鉸分布情況（圖5～圖7）可以看出：高位機廠房進入塑性的程度較深，但塑性鉸均處于第1階段，并未出現倒塌情況，表明結構進入到彈塑性工作階段；鍋爐鋼架整體上基本處于彈性工作狀態，上部及頂層部分支撐受壓屈服，極少數支撐有受壓失穩趨勢，應注意加強，墻體的整體損傷在可控范圍內，總體上實現了“大震不倒”的抗震設防目標。

圖5 天然波1作用下x向整體及高位機廠房底部框架部分出鉸情況

圖6 天然波1作用下y向整體及高位機廠房底部框架部分出鉸情況

圖7 天然波1作用下x和y向與支撐相連的梁柱均保持彈性

5 結語

從以上的計算分析結果可以得到， 防屈曲支撐在多遇地震工況、設防地震工況、風荷載工況下均保持彈性工作狀態，能有效連接高位廠房及鍋爐房；多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下，高位廠房與鍋爐房的最大相對位移分別為6.52、7.73、18.74 mm，其中多遇地震作用下的相對位移未超過15 mm的設計要求。

綜上所述，混凝土剪力墻結構體系與鋼框架結構體系相連接，即剛柔體系連接，使用具有優異延性的屈曲約束支撐可以保證結構本身的整體性。因此，在高位機廠房中使用防屈曲約束支撐連接鍋爐鋼架，是一種可行方案，建議在工業工程中推廣應用。