石 勇 尚世力 盧曉明 岳焱超 王新娣

(1.太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024;2.西安交通大學，陜西 西安 710049;3.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200082)

0 引言

自2008 年汶川地震以后，國家進一步加大了對防災抗震領域的投入。隨后修訂的GB 50011—2010 建筑抗震設計規(guī)范［1］擴大了隔震和消能減震房屋的適用范圍，并對消能技術做了重點介紹。甘肅省，山西省有關部門也相繼出臺了關于在學校醫(yī)院等乙類建筑中強制性采用減隔震技術的文件。傳統(tǒng)經(jīng)驗表明［2］:單一抗側力結構體系相比于雙重抗側力結構體系更易于倒塌，且破壞程度更大。純框架結構就屬于一種單一抗側力體系結構，但是若采用屈曲約束支撐后就會使結構成為雙重抗側力體系，地震發(fā)生時，混凝土框架和屈曲約束可以同時為結構抗震的兩道防線，其中屈曲約束支撐作為結構抗震的第一道防線，作用類似于電器元件中保險絲，在地震發(fā)生時先于框架梁柱破壞，從而使整體結構具有更加優(yōu)良的抗震性能以及抗側能力，使得結構更加安全。

屈曲約束支撐在受拉以及受壓時均可屈服，延性較好，滯回曲線更為飽滿，不僅可以作為抗側力構件提高結構的側向剛度，同時又作為消能支撐，在屈服耗能的過程中實現(xiàn)消能減震［3，4］。國際上，將屈曲約束支撐運用于抗震工程實際的做法很多［5，6］，但一般都是用于鋼結構建筑中，而將其作為混凝土結構抗側力構件的應用還在不斷的研究中。本文結合某中學教學樓的實例，具體闡述了屈曲約束支撐對框架結構抗震性能的提升作用。

按照抗震設計規(guī)范［1］規(guī)定要保證結構小震不壞，即在小震時結構處于彈性階段，彈性階段設計采用的是PKPM 中SATWE 模型進行彈性設計，可以滿足抗震規(guī)范［1］對結構小震不壞的要求。只考慮結構在小震不壞是不夠的，抗震規(guī)范還要求結構在罕遇地震下不倒，以保證在發(fā)生大震時人民生命財產(chǎn)安全，大震不倒，需要對結構做彈塑性分析，目前彈塑性分析的軟件有很多，本文采用MIDAS GEN 對結構進行彈塑性分析，來驗算結構是否滿足大震不倒的要求。

1 工程概況

在建的中學位于某8 度區(qū)，占地面積1 284 m2，總建筑面積15 020 m2，包括教學樓，行政樓，實驗樓等，其中教學樓面積為3 793 m2，該建筑地上5 層，局部6 層，室內外高差0.3 m～1.2 m。本文主要介紹教學樓的屈曲約束支撐的應用情況。

本工程采用框架—支撐結構體系，屈曲約束支撐采用同濟大學研制，上海藍科減震公司經(jīng)銷的屈曲約束支撐，其整體結構模型見圖1a)，平面布置圖見圖1b)。

2 結構設計

圖1 工程結構模型及BRB 平面布置圖

結構設計的基本參數(shù)和主要構件截面如表1 所示。

表1 設計基本參數(shù)

本項目如果只采用純框架結構，結構的抗側剛度將無法滿足要求，并且也無法滿足規(guī)范中層間位移角的要求［7］，此時若采用其他解決方式，比如加大柱截面，勢必會影響建筑空間的使用，從而影響建筑的使用功能，因此這種做法是不合理的;而若是改用框剪結構，通過局部布置剪力墻來提高抗側能力，又會影響建筑的外立面效果，從而帶來新的問題;如果采用普通鋼支撐，在地震作用下支撐承受軸力會很大，很容易出現(xiàn)屈曲，為避免支撐屈曲勢必會加大支撐截面，從而使支撐在地震作用下受力更大［9］，所以這種做法同樣不可取。本文采用屈曲約束支撐來設計此教學樓，不僅使結構的抗側剛度顯著提高，同時又能顯著減小支撐截面和節(jié)點區(qū)的剪力，符合結構設計經(jīng)濟安全合理的要求。

在結構的特定位置設置一些屈曲約束支撐，可以使結構的層間位移、扭轉位移比、平扭周期比等整體指標滿足規(guī)范要求。屈曲約束支撐的設計需要根據(jù)結構所需抗側剛度來確定芯板截面。屈曲約束支撐的承載力是通過受力分析計算得到的。屈曲約束支撐型號見表2。

表2 屈曲約束支撐型號表

3 多遇地震作用下的結構分析計算

首先在彈性階段采用的是SATWE 模塊對該結構進行計算分析，并對兩種計算方案進行比較:一種是沒有用屈曲約束支撐的普通方案，另一種是采用屈曲約束支撐的方案，兩種方案的計算結果見表3，表4。

表3 無屈曲約束支撐方案計算結果

表4 屈曲約束支撐方案計算結果

通過上述計算可以得出，對于純框架而言結構的抗側剛度明顯不足，X 向和Y 向層間位移角不符合規(guī)范;但是采用屈曲約束支撐方案就可以很好的滿足規(guī)范要求。

圖2 表示X 方向和Y 方向的層間位移角曲線，屈曲約束支撐大幅提高了上部結構的抗側剛度，弱化了地震發(fā)生時結構的位移響應。

圖2 層間位移角曲線

通過PKPM 中的計算可知在多遇地震下，部分樓層BRB 的應力為0.8～0.9，其余多數(shù)在0.5 左右，可以滿足BRB 在小震下彈性性能要求，預計在設防地震中部分支撐開始屈服，但大部分的支撐仍處于彈性工作階段?？傮w上，屈曲約束支撐使結構自重僅僅增加39.893 t，遠小于結構自重(不到0.9%)，但是卻使得結構的抗側剛度得到明顯改善，使得結構的抗震性能明顯增強，并且屈曲約束支撐易于安裝，減少了現(xiàn)場作業(yè)，提高了施工效率，使綜合性效益實現(xiàn)最大化。

4 罕遇地震作用下的結構分析計算

本工程采用MIDAS GEN 對屈曲約束支撐—混凝土框架結構進行PUSHOVER 靜力彈塑性分析，來驗算結構是否滿足抗震規(guī)范對結構大震不倒的要求。

4.1 MIDAS GEN 與PKPM 的彈性階段對比

為了保證MIDAS GEN 分析的可靠性，將MIDAS GEN 與PKPM 的彈性設計階段進行對比，主要對比參數(shù)見表5。

表5 PKPM 與MIDAS GEN 主要參數(shù)對照表

通過表5 分析，PKPM 與MIDAS GEN 在彈性階段計算誤差都在10%以內，兩個軟件計算吻合的很好，因此可以認為靜力彈塑性的分析模型跟彈性分析模型是一致的。

4.2 梁、柱、支撐的塑性鉸參數(shù)設置

梁端設置MIDAS 提供的缺省的自動混凝土梁彎曲My 鉸本構模型，柱頂和柱底設置MIDAS 提供的缺省的鋼柱自動PMM鉸本構模型，屈曲約束支撐根據(jù)本身特性定義的P 鉸本構模型，參數(shù)主要由屈曲約束支撐的屈服強度和剛度折減系數(shù)確定，屈服位移由計算機自動計算，屈曲約束支撐的主要參數(shù)如表6所示。

4.3 大震作用下的性能點確定

通過對模型X 和Y 方向推覆分析來尋求8 度(0.2g)地震作用下結構的性能點。將PUSHOVER 計算得到的力—位移關系和大震下的反應譜分別轉換為能力譜和需求譜，并統(tǒng)一繪在坐標系中，見圖3。

表6 屈曲約束支撐P 鉸本構參數(shù)

圖3 PUSHOVER 分析性能點

由圖3 可以得到大震性能點處的基底剪力，定點位移及阻尼比情況，具體值見表7。

表7 性能點處的主要參數(shù)值

4.4 罕遇地震下出鉸情況

圖4 是在罕遇地震下結構中支撐出鉸情況，圖5 是在罕遇地震下結構中梁出鉸情況，圖6 是在罕遇地震下結構中柱出鉸情況。在罕遇地震下，屈曲約束支撐先于梁柱出鉸，在梁柱出鉸順序中，梁先于柱出鉸，結構整體設計滿足“強柱弱梁”，屈曲約束支撐作為結構第一道防線，最先出鉸耗能，屈曲約束支撐消耗的地震能量，使得地震對梁柱的破壞大大減輕，達到了預期設計目的。

圖4 屈曲約束支撐出鉸示意圖

4.5 罕遇地震作用下彈塑性分析的層間位移及層間位移角

圖7 是在罕遇地震作用下進行彈塑性分析得到的層間位移，圖8 是在罕遇地震作用下進行彈塑性分析得到的層間位移角，由圖7，圖8 得到的最大層間位移和最大層間位移角具體數(shù)據(jù)如表8所示。

圖5 梁出鉸示意圖

圖6 柱出鉸示意圖

圖7 層間位移曲線

圖8 層間位移角曲線

表8 罕遇地震下結構的變形

由上面分析知，在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐首先進入出鉸耗能，隨后梁柱出現(xiàn)塑性鉸，其中梁先于柱出鉸，整體上結構滿足“強柱弱梁”形式，使用屈曲約束支撐能夠率先消耗地震能量，大大減小地震力對梁柱的破壞，保護了整體結構，滿足大震不倒的抗震設計要求。

5 結語

根據(jù)彈性分析和彈塑性分析結果，混凝土框架結構—屈曲約束支撐體系使結構的整體抗震性能得到顯著提高。

1)屈曲約束支撐可以為結構提供足夠的剛度和承載力。在本工程中采用屈曲約束支撐的方案，能夠使各項整體指標均滿足規(guī)范要求;而沒有采用屈曲約束支撐的方案，結構的層間位移角達不到規(guī)范要求。

2)該工程選用的屈曲約束支撐滿足計算要求，符合小震彈性、中震屈服的設計目標;在罕遇地震下屈曲約束支撐能夠繼續(xù)屈服耗能，構成了結構第一道防線，保護了梁柱，使得梁柱成為第二道防線，滿足抗震性能化設計要求。

3)總體上，屈曲約束支撐使結構自重僅僅增加39.893 t，遠遠小于結構自重(不到0.9%)，屈曲約束支撐易于安裝更換，使施工效率顯著提高，使綜合性效益實現(xiàn)最大化。

［1］GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］Jinkoo Kim，Youngil Seo.Seismic design of low-rise steel frames with buckling-restrained braces［J］.Engineering structures，2004，16(5):543-551.

［4］Uang Chia-ming，Nakashima Masayoshi，陸 燁.屈曲約束支撐體系的應用與研究進展(I)［J］.建筑鋼結構進展，2005，7(1):1-12.

［5］Xie Q.State of the art of Buckling Restrained Braces in Asia［J］.Journal of construction Steel Research，2005，61(6):39-40.

［6］JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.

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［8］上海藍科鋼結構技術開發(fā)公司.TJ 型屈曲約束支撐設計手冊［Z］.2010.

［9］解志強.屈曲約束支撐在混凝土框架結構中的工程應用［J］.建筑鋼結構進展，2012(10):105-106.

［10］北京邁達斯技術有限公司.midas gen 工程應用指南［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.