王紅松?。ò不帐〗ㄖ茖W研究設(shè)計院，安徽　合肥　230001）

屈曲約束支撐在某高層設(shè)計中的應用研究

王紅松（安徽省建筑科學研究設(shè)計院，安徽合肥230001）

以實際工程為例，介紹了屈曲約束支撐在高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計方法，分析了屈曲約束支撐在多遇地震及罕遇地震下對混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。結(jié)果表明：屈曲約束支撐可以有效地控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)變形，明顯改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

屈曲約束支撐；結(jié)構(gòu)設(shè)計；混凝土框架；抗震性能

0　前言

汶川地震以后，消能減震結(jié)構(gòu)在我國建筑工程領(lǐng)域得到大量的應用，越來越多的工程人員和研究人員意識到消能減震技術(shù)的重要性。

屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐，是重要的消能減震技術(shù)之一，最早發(fā)展于1973年日本；1994年北嶺地震后，美國也開始對屈曲約束支撐體系進行相應的設(shè)計研究和大比例試驗，同時結(jié)合理論計算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點。屈曲約束支撐可為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力，采用屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應用十分廣泛。本文通過某工程實例，介紹了屈曲約束支撐在高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計，可為今后相似工程的設(shè)計提供參考。

1　工程概況

花園賓館改擴建項目位于合肥市長江中路與花園街交口的西北角，項目總建筑面積約14.4萬m2，地下5層，地上包括1棟超高層、1棟高層住宅及1棟9層獨立商業(yè)裙房。根據(jù)建筑功能需求，商業(yè)裙房采用框架結(jié)構(gòu)，裙房首層層高5.4m，2～6層層高4.5m，7層層高5.0m，8、9層層高4.5m，結(jié)構(gòu)高度41.4m。

由于商業(yè)裙房地下室及建筑布置復雜，剪力墻在豎向無法保證其連續(xù)性，同時為了解決超限問題需增加梁柱截面尺寸來增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。相對于剪力墻布置的諸多限制，同樣能有效提供抗側(cè)剛度，且布置靈活多變的屈曲約束支撐，只需在上部結(jié)構(gòu)局部設(shè)置屈曲約束支撐，便很好的解決了框-剪結(jié)構(gòu)剪力墻無法落地的問題。因此，結(jié)構(gòu)型式最終選用帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)如表1所示。

設(shè)計基本參數(shù)　表1

2.2結(jié)構(gòu)布置

該項目建筑形體及其構(gòu)件布置存在平面凹凸及豎向收進兩項一般性不規(guī)則，采用純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及樓層位移比將無法滿足規(guī)范要求，造成結(jié)構(gòu)超限，屈曲約束支撐能夠同時解決側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度不足的問題。因此，沿結(jié)構(gòu)兩個主軸方向及剛度突變位置，分別沿建筑物高度連續(xù)設(shè)置屈曲約束支撐，使得整體結(jié)構(gòu)具有合適的側(cè)向剛度的同時，又提高了結(jié)構(gòu)的延性。

屈曲約束支撐平面布置圖及計算模型簡圖見圖1、圖2?？拐鹪O(shè)計中共采用了70根TJII型屈曲約束支撐，支撐屈服承載力1200kN，屈曲約束支撐主要截面參數(shù)見表2。

屈曲約束支撐主要截面參數(shù)　表2

圖1　屈曲約束支撐平面布置圖

圖2　計算模型簡圖

2.3計算方法及設(shè)計要點

依據(jù)規(guī)范［1］要求，本工程采取兩階段設(shè)計的方法。在不同的設(shè)計階段，屈曲約束支撐采取不同的工作狀態(tài)參與整體結(jié)構(gòu)受力，計算方法也不相同。

①小震及風荷載下，要求屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài)；計算采用通用計算程序（PKPM），在結(jié)構(gòu)模型中輸入屈曲約束支撐按剛度和強度等效成普通矩形截面的鋼支撐，支撐在計算中不考慮受壓失穩(wěn)問題和支撐長細比要求。通過改變支撐等效截面面積、增加支撐數(shù)量、改變支撐布置形式或平面布置位置等措施進行優(yōu)化設(shè)計，直至各項指標滿足規(guī)范要求。

②罕遇地震作用下，對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性或彈塑性動力時程分析，檢驗結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角是否滿足規(guī)范要求，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸狀態(tài)。分析驗算結(jié)構(gòu)是否滿足抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)大震不倒的要求。

③整體結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用計算時，結(jié)構(gòu)的阻尼比不應大于0.045，或按混凝土框架部分和屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)總變形能所占的比例折算為等效阻尼比［1］，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角宜按框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)插，控制在1/600～1/700。極限變形應滿足罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角的限值1/80的要求。

④為保證耗能型屈曲約束支撐的耗能能力，其節(jié)點連接承載力按不小于1.2倍屈曲約束支撐的極限承載能力設(shè)計，保證屈曲約束支撐在罕遇地震下仍能有效工作，連接方式采用焊接方式。

3　多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)分析計算

分析采用PKPM-SATWE進行計算，對框架結(jié)構(gòu)采用和不采用屈曲約束支撐的2種計算方案進行比較，計算結(jié)果對比見表3。

采用和不采用屈曲約束支撐的計算結(jié)果對比　表3

由表3可以看出，通過增加屈曲約束支撐，結(jié)構(gòu)的周期比、最大層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求，避免了因結(jié)構(gòu)不規(guī)則造成的超限問題。結(jié)構(gòu)的整體振動形態(tài)得到明顯改善，有效降低了扭轉(zhuǎn)變形對結(jié)構(gòu)的抗震性能的不利影響。同時，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及抗扭剛度均得到提高（見圖3），結(jié)構(gòu)雙向水平抗側(cè)剛度均增加了15%左右，框架梁、框架柱及屈曲約束支撐均處于彈性變形狀態(tài)。

圖3　地震作用下樓層側(cè)移剛度對比曲線圖

4　罕遇地震作用下彈塑性動力時程分析

本工程在結(jié)構(gòu)彈性計算的基礎(chǔ)上進行彈塑性非線性分析，通過彈塑性動力時程分析查看罕遇地震作用下各構(gòu)件的塑性狀態(tài)，了解結(jié)構(gòu)的薄弱部位及塑性鉸的發(fā)展趨勢；驗算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角是否滿足規(guī)范要求。

彈塑性動力時程分析采用程序PKPM系列EPDA進行，計算中混凝土應力應變關(guān)系采用三線性模型，鋼材的應力應變曲線采用雙折線模擬，強化系數(shù)取為0.01。結(jié)構(gòu)層間位移角如表4所示，從分析結(jié)果可以看出，層間位移角滿足混凝土框架罕遇地震下層間位移角限值的要求。

樓層最大位移及層間位移角　表3

通過分析結(jié)構(gòu)塑性鉸的形成圖可以看出，屈曲約束支撐在罕遇地震作用下充分發(fā)揮了其耗能性能好的特征，首先出現(xiàn)塑性鉸，隨后少部分框架梁屈服，框架柱基本未出現(xiàn)塑性鉸，整體結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”形式，形成合理的屈服機制。圖4為罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)展情況。

圖4　罕遇地震作用下樓層塑性鉸形成圖

5　結(jié)論

通過對工程實例的研究分析，介紹了屈曲約束支撐在不規(guī)則高層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應用，得到如下結(jié)論：

①在多遇地震作用下，屈曲約束支撐適度增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)各層的剛度分布趨于均勻合理，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

②在罕遇地震作用下，屈曲支撐作為結(jié)構(gòu)的第一道防線，支撐率先屈服耗能，減小主體框架結(jié)構(gòu)的損傷，同時屈曲支撐屈服后具有穩(wěn)定的承載力和延性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的有限增加和延性破壞機制。

③增強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，滿足扭轉(zhuǎn)位移比以及扭轉(zhuǎn)平動周期比的要求，解決結(jié)構(gòu)超限問題。

④由于屈曲支撐布置在建筑外圍，對于本工程地上商業(yè)大空間和地下建筑布置的合理性都具有非常重要的意義。

［1］GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］王秀麗，蔡建輝.帶BRB的不規(guī)則框架抗震性能研究［J］.甘肅科學學報，2010（3）.

［3］王建華，于巖磊.帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.建筑技術(shù)研究，2013（5）.

［4］季俊杰.屈曲約束支撐在不規(guī)則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2011（3）.

［5］石勇，等.屈曲約束支撐在教學樓設(shè)計中的應用研究［J］.山西建筑，2015（20）.

［6］杜英杰.屈曲約束支撐在某醫(yī)院結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用［J］.四川建筑，2016（1）.

［7］朱增強.屈曲約束支撐在某商業(yè)建筑中的應用［J］.華北地震科學，2015（33）.

［8］解志強.屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的工程應用［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2012（10）.

TU375.4

A

1007-7359（2016）04-0116-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.046

王紅松（1981-），男，安徽桐城人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，碩士；工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。