陳 瑜

(上海城建職業(yè)學院，上海 200438)

0 引言

屈曲約束支撐[1]又稱防屈曲支撐或BRB(Buckling Restrained Brace)，最早發(fā)展于1971年的日本，一批日本學者成功研發(fā)了最早的墻板式防屈曲耗能支撐，并對其進行了加入不同無粘結材料的拉壓試驗。日本學者還做了帶支撐剪力墻的試驗，將BRB的概念運用于結構中；1994年北嶺地震后，美國也開始對防屈曲支撐體系進行相應的設計研究和大比例試驗，分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點[2]；1999年美國學者Clark進行了3個大比例屈曲約束支撐的試驗，為美國使用屈曲約束支撐的建筑結構的設計和施工提供了技術支持。BRB有以下特點：1)線彈性剛度高，滿足規(guī)范的變形要求；2)更強和更穩(wěn)定的能量耗散能力；3)BRB在工廠連接到節(jié)點板，可避免現(xiàn)場焊接及檢測，安裝方便且經(jīng)濟；4)方便更換損壞的支撐；5)方便調整支撐剛度和強度?；谝陨蟽?yōu)點，孫建華等[3]以一個實際工程為例，對含屈曲約束耗能支撐的高層建筑鋼結構的地震作用效應及抗震性能進行了有限元分析。結果表明：小震作用下，BRB處于彈性狀態(tài)，為結構提供支撐剛度。在國內應用屈曲約束支撐的代表性建筑有上海國家會展中心、北京建筑大學圖書館等。本文以上海軌道交通17號線趙巷站(圖1)站臺的頂棚設計為例，主要對此項目中屈曲約束支撐的受力性能及耗能效果進行分析。

圖1 趙巷站外觀效果圖

1 項目概述

如圖1所示，趙巷站工程下部為混凝土結構，站臺層頂棚采用拱形鋼結構，結構總長157m，總寬29.44m，結構標高14.28～25.48m。頂棚結構V形鋼柱支承在混凝土框架梁的頂面，V形柱縱向間距14.5m，主拱支承于V形柱柱頂，主拱跨度24.7m。頂棚主鋼結構為整體設計，下部混凝土結構設有兩道防震縫，防震縫處V形柱替換為BRB支撐，共設置4個BRB支撐。BRB支撐兩端與V形柱分叉點和主拱圈焊接連接，V形柱提供縱向剛度, BRB位置對應的系桿采用滑動支座連接。裝飾性拱柱支承在混凝土框架側面，為鉸接柱腳。圖2為趙巷站的三維軸測圖、結構平面圖、結構立面圖、結構剖面圖。

圖2 趙巷站的三維軸測圖、結構平面圖、結構立面圖、結構剖面圖

2 設計條件

為了協(xié)調頂棚鋼結構與主體混凝土的變形，也為了增強鋼結構本身及整體結構的抗震性能，在趙巷站的頂棚鋼結構跨縫中設置了耗能型屈曲約束支撐，如圖3～5所示。應用BRB以后，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)于不設置BRB結構的抗震能力。BRB受壓屈服仍然保持承載力，鋼結構剛度下降不大，承載力良好，因此整體延性較好。車站在大震作用下具有良好的耗能減震能力，主體結構損傷較輕。BRB在大震作用下屈服以后發(fā)揮其耗能作用，耗散結構中的地震能量，保護主體結構，因此主體結構損傷較輕。本項目鋼結構斜柱截面為矩形管400×450×16×20，BRB芯材為20mm厚，250mm寬的一字型材，在芯材外包矩形管套筒400×450×12×12，與斜柱尺寸一致，刷完防火涂料及面漆后，整體造型和諧美觀，應用BRB后內部效果如圖6所示。

圖3 BRB所在位置示意圖

圖4 BRB節(jié)點圖

圖5 屋蓋系桿滑動連接節(jié)點圖

圖6 應用BRB后內部效果圖

鋼屋蓋所受外力以荷載的形式施加于站房屋蓋屋面上，設計使用年限為100年；結構自重即為鋼材重量，由程序自動加載計算,并考慮乘以1.1的節(jié)點增大系數(shù)；恒荷載：金屬屋頂0.2kN/m2，膜屋頂0.01kN/m2；活荷載：施工檢修0.5×1.1=0.55kN/m2(100年重現(xiàn)期)；風荷載：基本風壓0.6 kN/m2(100年重現(xiàn)期)；地震作用：抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.10g)，結構阻尼比為0.040，場地類別為Ⅳ類，地震分組為第一組，特征周期值為多遇及設防地震0.9s、罕遇地震1.1s；水平地震影響系數(shù)最大值為多遇地震0.08、設防地震0.23、罕遇地震0.45；溫度作用為±20.0℃。

3 屈曲約束支撐的設計

與普通支撐相比，BRB充當“保險絲”，使頂棚鋼結構承載力高，延性與滯回性能好[2-3]，提高框架的抗震性能。

在計算中，大震采用線性計算方法，BRB的力學性能采用兩折線模擬，即彈性和塑性兩個階段。BRB在小震下保持彈性，變形為4.35mm(屈服位移為9mm)；在大震作用下，BRB進入塑性階段，BRB屈服之后，發(fā)揮其耗能作用，耗散作用到結構中的主體能量，保護主體結構。

3.1 BRB的選型

本文采用BRB型號為RB-BRB ⅠA-400，在工廠與主體結構進行焊接連接，芯材與砂漿之間加潤滑墊層。圖7，8分別為BRB結構平面圖和剖面圖。BRB材料性質如下：芯材形狀為一字形，材質為BLY160,其他配件材質為Q235B；屈服承載力為400kN，設計承載力為357.2kN，極限承載力為1 094.4kN；芯材截面面積為2 857.2mm2；支撐長度為7.322m，與水平方向夾角為39.52°；屈服位移為1.0～9.0mm，極限位移為12～150mm。

圖7 BRB結構平面圖

圖8 BRB結構剖面圖

3.2 BRB的計算

BRB的工作機理是利用低屈服點芯材的軸向受壓、受拉均屈服來耗散地震能量，其側向穩(wěn)定性及剛度由外部套筒和芯材之間的混凝土砂漿來保證，計算時無需考慮BRB本身的穩(wěn)定性和剛度。外部套筒的截面與結構其他部分的鋼柱截面一致，其穩(wěn)定性及剛度均能滿足《TJ屈曲約束支撐應用技術規(guī)程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求。

首先在有限元軟件3D3S中定義BRB的截面為實腹長方形截面，定義材質為BLY160，然后布置BRB，布置位置見圖3。對BRB進行端部軸向鉸釋放。根據(jù)各工況及地震組合進行計算分析，整體模型各項指標滿足《TJ屈曲約束支撐應用技術規(guī)程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求后，得到BRB的相應數(shù)據(jù)。

根據(jù)計算結果，BRB非地震組合作用下最大軸力為304.73kN，小于BRB的設計承載力357.2kN；地震組合下最大軸力為268.03kN，小于357.2/0.75=476.27kN，其中0.75為地震組合系數(shù)。

BRB的正應力σ的計算公式為：

(1)

式中：N為BRB的最大設計軸力，N=476.27kN；A為BRB的截面面積，BRB的截面為400×450×20×16，A=31 120mm2。

由式(1)計算可得BRB的正應力σ=15.3MPa，小于其屈服強度fy=295MPa，BRB初步驗算滿足要求。

4 有限元仿真

4.1 有限元模型

為了進一步分析BRB對鋼結構本身及整體結構的抗震性能影響，通過有限元軟件3D3S對趙巷站頂棚鋼結構在不同荷載工況下的受力性能進行了分析。模型：采用空間結構模型，鋼屋蓋所受外力以荷載的形式施加于站房屋蓋屋面上；邊界條件設置為鋼結構V形柱和裝飾性拱柱與下部結構鉸接，BRB兩端鉸接，釋放BRB所在區(qū)間的屋面撐桿縱向約束。頂棚的恒荷載、活荷載及風荷載工況見表1～3。

頂棚的恒荷載工況參數(shù) 表1

頂棚的活荷載工況參數(shù) 表2

頂棚的風荷載工況參數(shù) 表3

面恒荷載分布如圖9所示，其中實線表示荷載分配到的單元。

圖9 面恒荷載分布圖

面活荷載分布如圖10所示，其中實線表示荷載分配到的單元。

圖10 面活荷載分布圖

風振系數(shù)為1.4，風壓高度變化系數(shù)由程序自動計算。按照類似結構風洞試驗得出的體型系數(shù)：迎風面越靠近檐口體型系數(shù)越大(體型系數(shù)最大值0.80)，背風面越靠近弧頂體型系數(shù)越大(體型系數(shù)最大值-1.30)。具體的面風荷載分布如圖11所示，其中實線表示荷載分配到的單元。

圖11 面風荷載分布圖

4.2 計算結果分析

結構在設防地震作用下的計算結果如圖12所示。使用BRB之后，局部構件上的最大軸力和最大剪力減小，BRB可以保護主體結構并且減小相鄰構件受力，可用于頂棚鋼結構抗震的設計。

有無BRB時結構的受力性能對比見表4。應用BRB以后，結構軸力減小了25%，結構剪力減小了10%，用鋼量節(jié)省了16%。

有無BRB時結構的受力性能對比 表4

為了驗證BRB的抗震性能，選取了3條天然地震波對鋼屋蓋進行了罕遇地震作用下非線性地震時程分析，地震波時程曲線見圖13，在防震縫對應的支座位置設置了150mm的水平位移。分析比較了有無BRB時的鋼屋蓋時程分析包絡位移，結果發(fā)現(xiàn)Fcy波下的包絡位移最大。有無BRB時Fcy波下結構的時程分析包絡位移見圖14，15。

圖13 地震波時程曲線

圖14 無BRB時Fcy波下結構的時程分析包絡位移/cm

有無BRB時結構的抗震性能對比見表5。在施加150mm的水平位移后，在罕遇地震作用下，有BRB的結構位移比無BRB的結構小15%～20%，證明有BRB的結構比無BRB的結構抗震性能更加優(yōu)越。

圖15 有BRB時Fcy波下結構的時程分析包絡位移/cm

有無BRB結構的抗震性能對比 表5

5 結論

本工程采用BRB協(xié)調頂棚鋼結構受力與在主體混凝土中設置150mm寬的防震縫具有重要的作用。分析結果表明：

(1)在設防地震作用下，增加BRB后結構的軸力、剪力以及用鋼量均有不同程度的減小。

(2)在罕遇地震分析中，增加BRB后結構的變形、位移有明顯減小。