某8度區(qū)鐵路站房結(jié)構(gòu)減震分析設(shè)計

裴新新，程俊飛

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102627； 2.北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，在高烈度區(qū)建設(shè)工程中通過采用隔震減震技術(shù)，來提高結(jié)構(gòu)抗震性能的工程案例越來越多。屈曲約束支撐作為目前較為常見的一種減震技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各類新建混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)及加固改造項目中。高杰等［1］針對北京市軌道交通指揮中心（二期項目），采用理論分析及試驗方法研究了普通鋼支撐和屈曲約束支撐兩種支撐相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，研究表明結(jié)構(gòu)中采用的屈曲約束支撐耗能性能良好，有效保證了結(jié)構(gòu)的抗震性能。高鵬等［2］研究了采用屈曲約束支撐加固后的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，分析表明加固后結(jié)構(gòu)屈服破壞順序為支撐-梁-柱，結(jié)構(gòu)冗余度增加。張國偉等［3］研究了帶有屈曲約束支撐的高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)果表明屈曲約束支撐的使用可大幅減少原框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性耗能比例。陳穎智［4］研究了屈曲約束支撐在鋼框架高層超限結(jié)構(gòu)中的實踐應(yīng)用，結(jié)果表明屈曲約束支撐在罕遇地震下具有良好的耗能能力。黃銳等［5］分析提出了混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的最大適用高度、合理的附加剛度、適宜的層間位移角限值，并研究了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能，結(jié)果表明采用屈曲約束支撐后，混凝土主體框架更易成為 “損傷可控結(jié)構(gòu)” 。薛彥濤［6］提出了屈曲約束支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計建議和抗震措施。

近年來，鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，鐵路站房建設(shè)覆蓋區(qū)域越來越廣。采用框架結(jié)構(gòu)體系的高烈度區(qū)鐵路站房在不采用減隔震措施的情況下，為滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計尺寸一般較大，不利于建筑功能的實現(xiàn)和建筑材料的節(jié)約。本文將屈曲約束支撐減震技術(shù)應(yīng)用于鐵路站房的結(jié)構(gòu)體系中，對結(jié)構(gòu)在多遇地震作用和罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行分析，研究屈曲約束支撐在高烈度區(qū)鐵路站房中的應(yīng)用價值［7］。

1 結(jié)構(gòu)建模

1.1 工程概況

本工程位于云南省昆明市，主站房地上兩層（含局部夾層），總建筑面積為3 000 m2。首層為候車廳、售票廳、售票辦公及出站廳，層高6 m；2層為設(shè)備及辦公用房，布置于候車廳兩側(cè)，層高5 m。站房主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，候車廳上方采用混凝土屋蓋，屋蓋大跨度梁（跨度為27.900 m）采用后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。

根據(jù)TB 10100—2018鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范［8］第7.1.3條，本工程的抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），該結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.3g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。

1.2 減震設(shè)計目標(biāo)

為了同時滿足結(jié)構(gòu)抗震要求和建筑使用需求，在不增大梁柱構(gòu)件截面尺寸的情況下，采用屈曲約束支撐減震技術(shù)。減震設(shè)計目標(biāo)為：

1）多遇地震作用下，屈曲約束支撐不發(fā)生滯回耗能，只提供附加剛度，控制結(jié)構(gòu)層間位移角。根據(jù)《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》［9］的規(guī)定，多遇地震下層間位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［10］限值的90%，即1/605。

2）在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐發(fā)揮耗能作用，考慮構(gòu)件及阻尼器彈塑性性能后，根據(jù)《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》，罕遇地震下層間位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范限值要求的50%，即1/100。

1.3 減震模型建立

根據(jù)JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程［11］第6.2.1條關(guān)于消能部件的布置要求，在結(jié)構(gòu)中布置屈曲約束支撐，同一位置上下兩層連續(xù)布置，支撐布置平面示意圖及立面示意圖如圖1所示。本文采用的屈曲約束支撐力學(xué)模型為雙線性模型，主要參數(shù)有初始剛度、屈服位移、屈服強(qiáng)度和屈服后剛度比等，具體參數(shù)取值見表1。

圖1 屈曲約束支撐布置示意圖

表1 屈曲約束支撐主要參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 反應(yīng)譜分析

多遇地震作用下，分別對設(shè)置屈曲約束支撐的減震結(jié)構(gòu)和不設(shè)置屈曲約束支撐的非減震結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜法分析，比較兩個結(jié)構(gòu)模型的層間位移角。結(jié)構(gòu)最大層間位移角對比結(jié)果見表2。

表2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角對比

由表2可知，多遇地震作用下，屈曲約束支撐的設(shè)置，有效地增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小了結(jié)構(gòu)最大層間位移角，滿足多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)減震設(shè)計目標(biāo)要求。

2.2 地震記錄的選取

地震記錄的選取須滿足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范5.1.2條規(guī)定，同時需要滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定：彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的95%。

本報告選取了實際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，地震波反應(yīng)譜和規(guī)范譜對比如圖2所示。圖中7條地震波在結(jié)構(gòu)第一振型周期處對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)平均值與規(guī)范譜相差不超過20%。

圖2 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對比

2.3 彈性時程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時程分析。

2.3.1 樓層剪力和最大層間位移角

多遇地震下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時程分析。各時程波作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力與反應(yīng)譜方法計算的樓層剪力對比結(jié)果見表3。

表3 各地震波時程分析與反應(yīng)譜計算的樓層剪力對比kN

由表3可知，反應(yīng)譜法各樓層剪力計算結(jié)果均大于時程分析計算結(jié)果平均值，設(shè)計時不需考慮時程分析放大系數(shù)。

各時程波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角平均值與反應(yīng)譜方法計算結(jié)果對比見圖3。

由圖3可知，X向和Y向時程計算位移角平均值均小于1/605，滿足多遇地震作用下的減震設(shè)計目標(biāo)。

圖3 多遇地震下減震結(jié)構(gòu)層間位移角

2.3.2 屈曲約束支撐滯回曲線

多遇地震下，典型屈曲約束支撐（BRB-1）滯回曲線如圖4所示。

由圖4可知，多遇地震下，屈曲約束支撐最大出力小于其屈服力2 200 k N，支撐未屈服耗能，僅為結(jié)構(gòu)提供剛度。

圖4 多遇地震下典型屈曲約束支撐滯回曲線圖

2.4 彈塑性時程分析

2.4.1 層間位移角

罕遇地震作用下，采用PKPM-SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析，對比減震結(jié)構(gòu)和非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角，如圖5所示。減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角分別為1/127和1/145，非減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角分別為1/73和1/101，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角比值均小于0.75，滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于罕遇地震下層間位移角限值的要求。

圖5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角對比

2.4.2 結(jié)構(gòu)出鉸順序及能量圖

罕遇地震下，結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)，圖6列舉了有代表性的TH057號波在X向單向輸入時結(jié)構(gòu)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。

由圖6可知，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)中梁、柱出現(xiàn)塑性鉸的時間順序基本上為梁先出現(xiàn)梁鉸，柱后出現(xiàn)柱鉸，滿足 “強(qiáng)柱弱梁” 的要求，屈曲約束支撐的設(shè)置，有效提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

圖6 TH057號波結(jié)構(gòu)出鉸圖

圖7為罕遇地震下代表性的地震能量輸入及能量耗散圖。由圖7可知，耗能包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性應(yīng)變能、結(jié)構(gòu)阻尼耗能和屈曲約束支撐耗能，其中結(jié)構(gòu)阻尼耗能占比較高，其次為屈曲約束支撐耗能，結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變能較小，屈曲約束支撐的使用減少了結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變能在耗能總量中的比例，從而減輕了主體結(jié)構(gòu)的損壞。

圖7 能量圖

2.4.3 屈曲約束支撐性能

罕遇地震作用下，本工程典型屈曲約束支撐的滯回曲線如圖8所示。

由圖8可知，罕遇地震作用下，典型屈曲約束支撐最大出力大于其屈服力2 200 kN，滯回曲線飽滿，證明屈曲約束支撐進(jìn)入塑性狀態(tài)，可以有效地耗能。

圖8 典型屈曲約束支撐滯回曲線圖

罕遇地震作用下，首層X向、Y向屈曲約束支撐實際最大出力之和與該層相對應(yīng)方向的樓層層間屈服剪力之比分別為24.7%（X向）和19.1%（Y向）；2層X向、Y向屈曲約束支撐實際最大出力之和與該層相對應(yīng)方向的樓層層間屈服剪力之比分別為23%（X向）和25.8%（Y向）?？梢钥闯觯鲗覤RB實際最大出力之和，均大于樓層層間屈服剪力的15%，均小于樓層層間屈服剪力的60%，滿足JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程第6.2.2條和《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》的第4.1.2條的要求。

3 減震設(shè)計經(jīng)濟(jì)性對比

不采用減震設(shè)計時，不改變結(jié)構(gòu)形式的情況下，通過增大梁柱截面尺寸可以得到滿足各項指標(biāo)要求的設(shè)計方案，與采用屈曲約束支撐的減震設(shè)計方案進(jìn)行截面尺寸及主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土指標(biāo)對比，結(jié)果見表4。

表4 減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土指標(biāo)對比

由表4可知，采用減震設(shè)計方案時，梁柱截面尺寸顯著減小，主體結(jié)構(gòu)每平方米主材用量可節(jié)約10%～15%。

4 結(jié)語

通過對某8度區(qū)鐵路站房設(shè)置屈曲約束支撐，建立結(jié)構(gòu)整體模型，并分別進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜分析、彈性時程分析和彈塑性時程分析，選取5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，分析了結(jié)構(gòu)在X/Y/Z三向地震輸入時的抗震性能。得到以下結(jié)論：

1）多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，屈曲約束耗能支撐（BRB）僅為結(jié)構(gòu)提供剛度，不提供附加阻尼比。

2）罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足 “強(qiáng)柱弱梁” 要求。

3）罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1/127，Y向最大層間位移角為1/145，小于GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范第5.5.5條規(guī)定的罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/50，同時滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》第4.1.1條規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性層間位移角限值減小比例不低于GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定限值的50%的要求。

4）罕遇地震作用下，各屈曲約束支撐均進(jìn)入塑性階段，滯回曲線飽滿，耗能良好，能夠為主體結(jié)構(gòu)提供安全保證。

5）采用屈曲約束支撐減震設(shè)計方案后，相比非減震設(shè)計方案，可顯著減小梁柱截面尺寸，增大建筑空間使用效率，主體結(jié)構(gòu)每平方米鋼筋混凝土用量可減少10%～15%。