高烈度區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計分析*

孫柏鋒，米俊丞，馬 俊

云南省設(shè)計院集團有限公司，云南 昆明 650238

消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中某些相對變形較大的部位安裝消能裝置或者將某些非承重構(gòu)件設(shè)計成消能構(gòu)件，通過消能裝置或消能構(gòu)件大量消耗地震輸入能量，達到減震目的。相對于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，消能減震結(jié)構(gòu)抗震性能要優(yōu)于前者。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件就是主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身，如框架結(jié)構(gòu)中的框架柱、框架梁。由于地震的隨機性和結(jié)構(gòu)在設(shè)計、計算和施工方面的誤差，結(jié)構(gòu)在地震中的破壞位置和破壞程度通常難以精確控制。特別在罕遇地震下，難以確保承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)遭受地震作用而使結(jié)構(gòu)變形超過一定的范圍時，塑性變形集中出現(xiàn)在“可犧牲”構(gòu)件，“可犧牲”構(gòu)件可以隨時更換。建筑結(jié)構(gòu)損傷控制設(shè)計中通過減震裝置耗散地震輸入能量以減小地震作用是必不可少的，其中減震裝置即是“可犧牲”構(gòu)件，減震裝置損傷后易于更換。屈曲約束支撐即是一種“可犧牲”構(gòu)件。

1 工程概況

案例項目位于云南省楚雄市，地上層數(shù)4層，地下室為2層，總高度為29.65m。地下負2層為車庫，地下負1層為超市，地上1～3層為商業(yè)，4層為電影院，屋頂為種植屋面。楚雄市抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），設(shè)計地震分組為第三組，場地類別II類，場地特征周期為0.45s，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。該工程設(shè)防烈度較高，且設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），應(yīng)采取有效措施來提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，并結(jié)合該工程實際情況采用屈曲約束支撐的消能減震設(shè)計。

2 消能減震方案

2.1 消能減震技術(shù)選擇

鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用十分廣泛，但純鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有限，在地震作用下側(cè)向位移較大，限制了其使用高度。鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了上述問題，但鋼支撐受壓時易產(chǎn)生屈曲，造成支撐本身及其連接構(gòu)件的破壞或失效，支撐屈曲后的滯回耗能能力變差，結(jié)構(gòu)抗震性能降低。屈曲約束支撐（BRB）是由芯材、外套筒及套筒內(nèi)無黏結(jié)材料組成。支撐的中心是芯材，外套筒限制中心芯板的屈曲，在受拉和受壓時都能達到屈服。由于克服了傳統(tǒng)支撐受壓發(fā)生屈曲的特點，屈曲約束支撐在彈性階段是強度較高的斜撐構(gòu)件，在核心構(gòu)件屈服后又是一種性能優(yōu)越的消能組件，能有效吸收地震產(chǎn)生的能量。

2.2 屈曲約束支撐設(shè)計內(nèi)容

屈曲約束支撐利用芯材的屈服變形滯回耗能來吸收地震能量，屬位移型消能器，設(shè)計內(nèi)容主要包括確定YJK軟件中BRB的等代支撐剛度、參數(shù)和數(shù)量及安裝位置型式；多遇地震作用下，對結(jié)構(gòu)進行動力彈性時程分析，復(fù)核小震下計算指標(biāo)；罕遇地震作用下，對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析，驗算結(jié)構(gòu)彈塑性位移，調(diào)整驗算中承載力不滿足要求的構(gòu)件。

2.3 結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)和性能目標(biāo)

該工程在多遇地震、罕遇地震作用下的主體結(jié)構(gòu)及消能減震構(gòu)件性能目標(biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

3 消能減震分析

3.1 屈曲約束支撐布置方案

屈曲約束支撐是通過桿件屈服變形吸收能量來達到消能減震效果的，應(yīng)優(yōu)先考慮布置在軸向變形較大或相對位移較大的位置。要特別注意避免布置位置造成結(jié)構(gòu)不對稱進而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)破壞。屈曲約束支撐的布置位置應(yīng)遵循對稱、均勻、周邊、分散的原則。該工程的屈曲約束支撐主要布置在四個角部，同時豎向1～4層連續(xù)布置，避免剛度削弱或突變形成薄弱部位具體，如圖1所示。該工程共66個屈曲約束支撐，屈曲約束支撐型號包括BRB1～BRB9共9種，支撐屈服力分別為1200kN、1500kN、1600kN、1800kN、2200kN。

圖1 屈曲約束支撐平面布置圖

3.2 小震彈性時程分析

該工程采用SAP2000軟件進行計算與分析，屈曲約束支撐采用非線性單元模擬。通過對減震結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析，查看屈曲約束支撐在小震下的受力情況，復(fù)核結(jié)構(gòu)小震下的層間位移角。彈性時程分析時，選取了5條天然波和2條人工波，7條地震波均滿足規(guī)范的相關(guān)要求如特征周期、加速度峰值、持時等。其中人工波按Ⅱ類場地第3組（0.45s）合成，天然波均取自Ⅱ類場地上的實際記錄。計算結(jié)果表明，在多遇地震作用下支撐的受力均小于屈服承載力，支撐均保持彈性僅提供剛度。X向位移角為1/603，Y向位移角為1/589，實現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。

3.3 大震彈塑性時程分析

對非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)分別進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。彈塑性時程分析過程考慮材料非線性，采用小變形假定，不考慮幾何非線性，采用Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法。大震下峰值加速度取400cm/s2。選取小震分析中的3條時程曲線進行大震動力彈塑性時程分析。

（1）彈塑性層間位移角。在罕遇地震作用下，對比減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)層間位移角，減震結(jié)構(gòu)最大位移角包絡(luò)值X向為1/105，Y向為1/98；非減震結(jié)構(gòu)X向位移角為1/74，Y向位移角為1/72。結(jié)果表明，罕遇地震下減震結(jié)構(gòu)的層間位移角與非減震結(jié)構(gòu)層間位移角之比X向為70.5%，Y方向為73.5%，極大地提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

（2）塑性鉸分布。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）的相關(guān)要求，為了保證“大震不倒”，結(jié)構(gòu)必須具有合理的耗能機制，大震下允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入塑性，屈曲約束支撐充分耗能，有效降低主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度。結(jié)果表明，采用屈曲約束支撐的消能減震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)僅有少量框架梁進入塑性，且各主要構(gòu)件的性能均滿足預(yù)定抗震性能要求。

（3）減震器在大震下的出力及位移。減震器在大震下的最大出力及位移匯總表如表2所示，從表2中可以看出，屈曲約束支撐均進入塑性耗能，滯回曲線飽滿耗能充分，從而減少了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。

表2 減震器在大震下的最大出力及位移匯總表

4 結(jié)論

文章通過對工程實例進行研究及分析，得到了如下結(jié)論：（1）BRB在受壓時不會出現(xiàn)壓曲破壞，承載力比普通支撐有較大提高，能滿足減小構(gòu)件尺寸的要求，能以小的代價實現(xiàn)安全目標(biāo)；（2）小震下BRB可增加結(jié)構(gòu)剛度，使結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求，進而滿足小震不壞的設(shè)防目標(biāo)；（3）大震下BRB作為第一道抗震防線首先屈服耗能，減小了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，BRB屈服后能保證穩(wěn)定的承載力、延性，在剛度有限增加的前提下實現(xiàn)延性破壞的模式；（4）BRB布置在建筑外圍，能夠增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，使結(jié)構(gòu)能較好地滿足扭轉(zhuǎn)位移比和周期比要求。