廈鎢年產(chǎn)四萬噸鋰電池項目主廠房消能減震設(shè)計研究

任 彧 劉梅婷 張雅杰 陳更新

(福建建工裝配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著新能源和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前我國相關(guān)工業(yè)建筑呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化發(fā)展趨勢。通常此類工業(yè)建筑的柱距為12 m～15 m、生產(chǎn)區(qū)層高為8 m～12 m、使用活荷載為2～8 t/m2，均顯著大于常規(guī)民用建筑。由于生產(chǎn)工藝要求，此類工業(yè)建筑通常不能采用鋼結(jié)構(gòu)；且結(jié)構(gòu)單元的長度需滿足生產(chǎn)線布置要求，往往需要達到百米以上。且受建筑功能和生產(chǎn)工藝的限制，鋼筋混凝土剪力墻的布置局限性很大，往往難以采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。如采用常規(guī)的以“抗”為主的混凝土框架結(jié)構(gòu)方案，則存在梁柱尺寸偏大及配筋密集難以施工的問題。

此類大體量鋼筋混凝土工業(yè)建筑，如采用現(xiàn)澆工法需要設(shè)置高大模板支撐體系，材料耗費大、施工措施費非常昂貴，且施工周期長。在上述約束條件下，綜合采用現(xiàn)代消能減震技術(shù)和裝配式建造工法，可以獲得良好經(jīng)濟效益。本文以廈門鎢業(yè)年產(chǎn)四萬噸鋰電池項目主廠房為例，說明現(xiàn)代消能減震技術(shù)在新能源和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工業(yè)廠房中的應(yīng)用要點。

1 工程概況

該工程位于福建省廈門市，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15 g，設(shè)計地震分組第二組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期0.40 s。主生產(chǎn)車間為框架-BRB支撐體系，框架抗震等級為二級；無地下室、地上7層，建筑高度為47.35m，生產(chǎn)線所在區(qū)域的局部層高均為11.5 m。主廠房單體建筑面積61 764.55 m2，建筑總長度為190 m，分為兩個各95 m左右的結(jié)構(gòu)單元。生產(chǎn)線區(qū)域設(shè)計活荷載為20 kN/m2，X向柱距為8.1 m、Y向柱距為13 m，具有大跨、重載、大層高和大體量等特點。

該工程為鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線，廠房內(nèi)的材料、設(shè)備應(yīng)杜絕含有銅、鐵、鋅、鎳等材質(zhì)的材料及設(shè)備，因此主體結(jié)構(gòu)不具備使用鋼結(jié)構(gòu)的條件。考慮生產(chǎn)工藝及預(yù)制需要，采用鋼筋混凝土單向次梁布置，左側(cè)單元結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

采用結(jié)構(gòu)軟件進行結(jié)構(gòu)試算，當(dāng)生產(chǎn)線區(qū)域柱截面尺寸取1100×800，框架梁截面尺寸500×1200時，X向最大地震層間位移角1/697，Y向最大地震層間位移角1/592，由于局部層高達到11.5 m，因此框架梁柱的配筋率相對較高(2%～2.5%)。本工程的生產(chǎn)線作業(yè)區(qū)和車道均設(shè)置較為緊湊，常規(guī)結(jié)構(gòu)方案的柱截面尺寸無法滿足生產(chǎn)線工藝要求；且預(yù)制構(gòu)件重達16.5 t左右，吊裝措施費相對較高。因此，在與業(yè)主及總包單位充分溝通基礎(chǔ)上，采用消能減震方式進行優(yōu)化設(shè)計。

2 消能減震原理

消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過設(shè)置消能減震裝置以控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預(yù)期變形，從而達到不同等級抗震設(shè)防目標(biāo)[1]。該工程減震設(shè)計采用屈曲約束支撐(BRB)作為消能減震部件。屈曲約束支撐是由核心受力芯材、外約束單元、無粘結(jié)材料組成[2]，利用核心單元產(chǎn)生彈塑性滯回變形耗散能量、外約束單元提供防屈曲約束的減震裝置[3-4]。

一方面，BRB可為結(jié)構(gòu)提供足夠的剛度和承載力，有效減小構(gòu)件截面尺寸，又不影響建筑功能且施工方便，大大提高了結(jié)構(gòu)方案合理性；同時，BRB可在罕遇地震下進行耗能，提升建筑抗震能力，從而保護強烈地震下建筑物內(nèi)的人員和財產(chǎn)安全。對該工程有著重大意義。

由于鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線特殊的工藝要求及防腐要求，擬采用BRB本體包裹碳纖維材料，BRB端頭、節(jié)點板及預(yù)埋件外露部分采用環(huán)氧樹脂類材料涂刷，如圖2所示。

圖2 該工程采用的BRB類型

3 屈曲約束支撐(BRB)設(shè)計

該工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標(biāo)和性能目標(biāo),如表1所示。

表1 減震目標(biāo)和性能目標(biāo)

該工程消能減震方案設(shè)計原則為：

(1)依據(jù)預(yù)期的水平地震力和位移角控制要求及耗能等參數(shù)，估算出減震結(jié)構(gòu)所需附加剛度，據(jù)此選擇合適的BRB參數(shù)和數(shù)量，并通過調(diào)整彈性段來使BRB種類不致過多，具體如表2所示。

表2 工程BRB產(chǎn)品參數(shù)表

(2)BRB配置在層間相對位移較大樓層，同時采用合理連接形式增加BRB兩端的相對變形，以提高BRB的減震效率。

(3)消能子結(jié)構(gòu)中的框架梁柱設(shè)計應(yīng)考慮BRB在極限位移下的阻尼力作用。

(4)BRB與主結(jié)構(gòu)之間連接部件需適當(dāng)設(shè)計，使其在罕遇地震作用下仍可維持彈性狀態(tài)。

(5)BRB的平面布置原則：遵循“均勻、分散、對稱”原則，主要在樓電梯間、功能分區(qū)交界等區(qū)域布置，保證其既不影響生產(chǎn)工藝及建筑采光和內(nèi)部空間分割功能，又能滿足結(jié)構(gòu)剛度和耗能需求，如圖3所示。

圖3 一層BRB平面布置圖

4 結(jié)構(gòu)減震前后主要經(jīng)濟指標(biāo)對比

結(jié)構(gòu)減震前后主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)對比如表3所示，梁柱節(jié)點布筋對比如圖4所示。

(a)非減震結(jié)構(gòu) (b)減震結(jié)構(gòu)

綜上所述，在最大地震層間位移角降低12%～30%情況下，應(yīng)用消能減震方案可降低總混凝土量約1/10，對減小構(gòu)件截面、鋼筋數(shù)量效果尤其顯著。以生產(chǎn)區(qū)的梁柱為例，柱截面尺寸由1100×800減小為900×800，Y向主梁由500×1200減小為500×1000，使得預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)、安裝難度及措施費大幅降低。

表3 結(jié)構(gòu)減震前后主要經(jīng)濟指標(biāo)對比

5 消能減震結(jié)構(gòu)抗震性能分析

對減震結(jié)構(gòu)進行整體分析，應(yīng)包含減震結(jié)構(gòu)的彈性分析及彈塑性分析。其具體設(shè)計內(nèi)容主要包括：

(1)計算附設(shè)BRB的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；

(2)進行彈性時程分析，復(fù)核多遇地震作用下位移角；

(3)進行設(shè)防地震時程分析，復(fù)核設(shè)防地震作用下BRB耗能；

(4)罕遇地震作用下，進行彈塑性位移驗算。

5.1 模型概述

對主廠房左側(cè)單元使用SAP2000有限元分析軟件建立結(jié)構(gòu)模型，并進行計算與分析，如圖5所示。

圖5 SAP2000模型

SAP2000模型中屈曲約束支撐(BRB)采用非線性單元Plastic(Wen)模擬，如圖6所示。

圖6 屈曲約束支撐(BRB)的模型圖(13-13軸)

5.2 地震波的選取

遵循《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]第5.1.2條相關(guān)規(guī)定，進行時程分析法時，選用的加速度時程曲線類型和加速度時程最大值如表4所示。

表4 時程文件信息

7條時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線的對比如表5所示，地震波的詳細情況如圖7所示，均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]第5.1.2條相關(guān)條文說明的要求。

表5 7條時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比表

本文選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，對比結(jié)果如表6所示，符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]第5.1.2條相關(guān)規(guī)定。

5.3 多遇地震彈性時程分析

在SAP2000分析中，彈性時程分析采用SAP2000所提供的快速非線性分析(FNA)方法，即只考慮BRB的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性，樓層位移角曲線如圖8所示。

圖7 7條時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

圖8 樓層位移角曲線

由彈性時程分析結(jié)果可知，所有類型的BRB在多遇地震下受力均小于BRB屈服力，且7條地震波作用下的層間位移角包絡(luò)值，均滿足多遇地震的減震目標(biāo)1/620，因此該BRB布置方法滿足多遇地震下“全樓結(jié)構(gòu)完全彈性”的性能目標(biāo)。

5.4 設(shè)防地震和罕遇地震B(yǎng)RB耗能分析

在SAP2000中，使用連接單元Plastic(Wen)對屈曲約束支撐(BRB)進行準(zhǔn)確模擬，并將本模型中的框架梁、柱均定義塑性鉸。彈塑性時程分析過程中不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，只考慮材料非線性并采用小變形假定。對動微分方程的計算，采用Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，其中β系數(shù)與γ系數(shù)分別取0.25和0.5，Alpha系數(shù)為0。選用前述的七條地震波進行設(shè)防地震和罕遇地震分析，分析結(jié)果取平均值。設(shè)防地震下BRB出力和位移情況如表7所示。罕遇地震下BRB出力和位移情況如表8所示，耗能滯回曲線如圖9所示。

表7 設(shè)防地震下BRB出力和位移情況

表8 罕遇地震下BRB出力和位移情況

圖9 罕遇地震下BRB耗能滯回曲線

由上可知，在設(shè)防地震下部分BRB開始進入屈服狀態(tài)耗能；在罕遇地震下BRB大部分進入塑性，發(fā)揮了良好耗能能力；罕遇地震B(yǎng)RB滯回曲線較為飽滿，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)較好的塑性變形能力。

5.5 結(jié)構(gòu)減震前后在罕遇地震下的彈塑性性能對比

進行單向地震輸入作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性動力性能分析，得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果(位移角、塑性鉸分布等)，以獲取不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，主要計算結(jié)果如表9所示。

表9 罕遇地震下非減震結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)最不利

由上可知，該工程通過設(shè)置屈曲約束支撐(BRB)，建筑抗震性能得到明顯提高，且減震結(jié)構(gòu)單向最不利層間位移角均滿足罕遇地震下的減震目標(biāo)1/100。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]為了保證“大震不倒”，結(jié)構(gòu)在地震作用下必須具有合理耗能機制，即允許在罕遇地震作用下部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入塑性狀態(tài)。結(jié)構(gòu)耗能性能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。本節(jié)列舉了部分地震波在Y向單向輸入時結(jié)構(gòu)設(shè)置和未設(shè)置BRB的典型立面的出鉸順序，來說明結(jié)構(gòu)在彈塑性分析過程中的變化情況，如圖10～圖11所示。

由上可知，罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)梁鉸的時間于非減震結(jié)構(gòu)之后，且在第1501步時BRB周圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件未進入塑性狀態(tài)，耗能能力增強，既滿足前述罕遇地震下性能目標(biāo)即“消能減震器的功能仍能正常發(fā)揮，消能器周圍框架及節(jié)點滿足構(gòu)件極限承載力要求”，又體現(xiàn)了其良好的延性性能。

(a)非減震結(jié)構(gòu)在第410步出現(xiàn)梁鉸 (b)非減震結(jié)構(gòu)在第1501步出鉸情況

(a)減震結(jié)構(gòu)在第421步出現(xiàn)梁鉸 (b)減震結(jié)構(gòu)在第1501步出鉸情況

6 結(jié)語

現(xiàn)代消能減震技術(shù)在新能源和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工業(yè)廠房中具有廣闊應(yīng)用前景：

(1)應(yīng)用消能減震技術(shù)可顯著減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸，進而降低總混凝土量(約1/10)；既提高了結(jié)構(gòu)方案的合理性，也提升了建筑品質(zhì)，尤其適用于柱距、層高、荷載、體量均較大的工業(yè)建筑。

(2)合理布置消能減震器，可有效減小層間位移角，從而達到既定減震目標(biāo)，還可獲得良好抗震耗能機制和塑性變形能力，顯著提高結(jié)構(gòu)主體的安全性。

(3)裝配式建筑結(jié)合消能減震方法優(yōu)勢突出，不僅提升裝配式建筑安全性和工藝性，又能實現(xiàn)成本控制目的。