邯鄲市科技中心屈曲約束支撐設(shè)計應(yīng)用

余 鈺

(河北建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050011)

1 概述

屈曲約束支撐體系技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)80年代早期，日本、美國對這種技術(shù)進(jìn)行了大量的研究試驗和應(yīng)用。1995年神戶地震后，屈曲約束支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地震后，美國也開始接受這種結(jié)構(gòu)體系。屈曲約束支撐是一種集承載和耗能為一體的耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件，就日本等成熟的減隔震市場來看，由于優(yōu)良的性價比，屈曲約束支撐的應(yīng)用量一般占到減隔震行業(yè)應(yīng)用總量的40%左右[1]。在國內(nèi)，屈曲約束支撐主流應(yīng)用在新建建筑中，在抗震加固中也有應(yīng)用。在河北省，應(yīng)用屈曲約束支撐的項目有：石家莊勒泰中心、北國商城西擴(kuò)工程、河北建筑設(shè)計研究院辦公樓加固、河北省圖書館加固[2]等。總的來說，屈曲約束支撐在河北省內(nèi)應(yīng)用較少。

本文結(jié)合邯鄲市科技中心項目，采用YJK軟件和ETABS軟件進(jìn)行了多遇地震下結(jié)構(gòu)的振型分解反應(yīng)譜分析，采用ETABS軟件進(jìn)行了多遇地震下彈性時程分析和罕遇地震下的彈塑性時程分析，通過對地震響應(yīng)的分析比較，總結(jié)了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用屈曲約束支撐的工程經(jīng)驗。

2 工程概況

邯鄲市科技中心位于邯鄲市叢臺區(qū)，項目總用地3.91 hm2，總建筑面積16.39萬m2，于2017年建成。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組第二組,建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.55 s。該項目地下3層車庫連為一體，地上主樓和展館分為兩個獨立單體。地下室頂板作為主樓的嵌固部位,本文以主樓地上部分為研究對象。主樓地上25層,1層層高5.8 m，2層層高5.5 m，3層、25層層高4.0 m，4層～24層層高3.8 m，主體高度99.2 m。主樓效果圖見圖1。

邯鄲市科技中心項目在當(dāng)?shù)鼐哂锌萍际痉蹲饔茫s束支撐作為結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的一種，有一定的科技含量，將其用在該項目中是恰當(dāng)?shù)腫3-4]。根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮到工程造價與減震效果，本項目在結(jié)構(gòu)2層～6層設(shè)置了屈曲約束支撐，7層～24層設(shè)普通鋼支撐。支撐平面布置如圖2所示，支撐布置在主樓四角。

3 多遇地震作用下振型分解反應(yīng)譜法分析

采用YJK軟件和ETABS軟件分別建立主樓地上計算模型。主樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)建筑立面的分格效果，結(jié)構(gòu)四周不允許設(shè)置剪力墻，當(dāng)結(jié)構(gòu)四周不設(shè)剪力墻且不設(shè)支撐時，結(jié)構(gòu)主要周期見表1，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比為0.98，不滿足規(guī)范限值不大于0.9的要求[5]。

表1 不設(shè)支撐時結(jié)構(gòu)主要周期統(tǒng)計表

主樓四角設(shè)置支撐后，結(jié)構(gòu)的主要計算指標(biāo)見表2，扭轉(zhuǎn)周期比減小到0.89，滿足規(guī)范不大于0.9的要求。建模時普通鋼支撐簡化為兩端鉸接的斜桿，屈曲約束支撐簡化為非線性連接單元(Wen)。因?qū)嶋H施工過程中，主樓澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋支撐的連接節(jié)點板，待主體結(jié)構(gòu)施工完成后安裝支撐，所以軟件施工模擬計算時指定支撐構(gòu)件的施工次序為主體結(jié)構(gòu)完成之后。由表2可知，YJK軟件和ETABS軟件分析結(jié)果比較接近，沒有出現(xiàn)原則性沖突或矛盾，各項指標(biāo)均在工程判斷及JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)要求的范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)模型選擇合適，分析結(jié)果可信，結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理。

表2 彈性反應(yīng)譜法主要計算結(jié)果

4 多遇地震作用下彈性時程分析

彈性時程分析作為振型分解反應(yīng)譜法的重要補(bǔ)充，用在特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑、復(fù)雜高層建筑和高度較高的高層建筑。進(jìn)行時程分析時，不同地震波的分析結(jié)果不同，正確選擇輸入的地震加速度時程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間均要符合規(guī)定。采用ETABS軟件進(jìn)行多遇地震作用下彈性時程分析，共采用兩條天然波(Taft波、CPC波)和一條人工波進(jìn)行計算，三條波的峰值加速度都調(diào)整到55 cm/s2，其加速度最大值按1(X向)∶0.85(Y向)的比例輸入雙向地震作用，三條波的波形圖分別見圖3～圖5，三條波的波譜圖見圖6，三條波的有效持時均大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍值。

主樓結(jié)構(gòu)平面基本對稱，本課題僅對結(jié)構(gòu)平面的X向輸入地震波進(jìn)行計算，主要計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，彈性時程分析選用的地震波符合規(guī)范要求，Taft波的計算結(jié)果與彈性反應(yīng)譜法最為接近，Taft波計算所得的底部剪力和最大層間位移角均大于彈性反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，為包絡(luò)值，計算結(jié)果均滿足規(guī)范限值要求。

表3 彈性時程分析主要計算結(jié)果

5 罕遇地震作用下彈塑性時程分析

采用ETABS軟件進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性時程分析，屈曲約束支撐在分析中利用Wen塑性單元模擬，典型Wen模型的滯回模型見圖7，屈服后剛度比取0.03，屈服指數(shù)取5。普通鋼支撐采用程序默認(rèn)的軸力鉸，框架梁和連梁兩端采用程序默認(rèn)的彎矩鉸，框架柱兩端采用程序默認(rèn)的P-M-M鉸。進(jìn)行彈塑性分析時，考慮了材料非線性和施工過程非線性，設(shè)置結(jié)構(gòu)自身阻尼采用Rayleigh阻尼，并按振型阻尼比為5%確定阻尼參數(shù)。地震波的峰值加速度調(diào)整到310 cm/s2。

為了比較屈曲約束支撐布置在不同位置時的減震效果，共采用了3種結(jié)構(gòu)布置方案。方案一：所有支撐均為普通鋼支撐；方案二：所有支撐均為屈曲約束支撐；方案三：在結(jié)構(gòu)2層～6層布置屈曲約束支撐，其他層為普通鋼支撐。人工波的彈塑性時程分析主要結(jié)果見表4。

表4 彈塑性時程分析主要計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，三種方案罕遇地震作用下的最大層間位移角均滿足規(guī)范限值1/100的要求，三種方案的最大層間位移角的樓層分布與數(shù)值接近，說明本工程采用屈曲約束支撐與普通鋼支撐對大震時的層間位移角結(jié)果影響較小。方案一底部剪力最大，方案二底部剪力最小，方案三的底部剪力略小于方案二，說明屈曲約束支撐在罕遇地震作用下起到了耗能作用。綜合考慮工程造價和減震效果，選用了方案三。

屈曲約束支撐在罕遇地震下能否起到耗能的作用，與支撐的屈服力有關(guān)系。如果支撐的屈服力太高，則罕遇地震作用下支撐的軸力可能小于屈服力，此時支撐處于彈性狀態(tài)，起不到耗能的作用。屈曲約束支撐的屈服力也不能太低，太低的話罕遇地震下支撐過早破壞也不能持續(xù)起到耗能作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)合理選取屈曲約束支撐的屈服力，以充分發(fā)揮其耗能作用。選取某屈曲約束支撐的滯回曲線如圖8所示，說明該屈曲約束支撐隨地震波多次往復(fù)，進(jìn)入塑性階段，起到了耗能作用。

6 結(jié)語

邯鄲市科技中心主樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在主樓四角設(shè)置了屈曲約束支撐和普通鋼支撐可以增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度，且滿足建筑立面的要求。經(jīng)多遇地震作用下振型分解反應(yīng)譜分析和彈性時程分析，以及罕遇地震作用下彈塑性時程分析，該結(jié)構(gòu)層間位移角等指標(biāo)滿足規(guī)范要求，采用屈曲約束支撐和普通鋼支撐相結(jié)合的布置方案經(jīng)濟(jì)合理，屈曲約束支撐在罕遇地震下起到了耗能作用。