趙士博

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，人們對建筑物的性能要求提出了更高的要求，從而使建筑物的某些結(jié)構(gòu)部位突破相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。因此，對多高層建筑工程抗震設(shè)防超限審查提出了更高的要求［1］。雖然很多學(xué)者對豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)布置導(dǎo)致建筑物抗震性能需求增加的研究較多，但直到20世紀(jì)80年代才提出豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和理論，并將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計當(dāng)中［2］。

對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通常的做法是盡可能減少不規(guī)則構(gòu)件，對于樓層側(cè)向剛度比不滿足規(guī)范要求的，可以增大本層的剛度以達(dá)到設(shè)計要求，也可以減小上一層的剛度，但常用的是加大柱子截面尺寸或者設(shè)置剪力墻等方法。不管是做“加法”還是做“減法”均應(yīng)適度。

酒店、辦公樓等建筑大廳通?？臻g較大［4］，越層柱、樓板大開洞等不規(guī)則情況往往會集中于同一樓層，使得建筑物的承載能力大幅降低，對建筑物來說會形成薄弱樓層，一般情況下設(shè)計人員經(jīng)常采用加大梁、柱的構(gòu)件尺寸的方法，但這種傳統(tǒng)的硬碰硬方法收斂不明顯。屈曲約束支撐兼具剛度大、變形能力強(qiáng)、滯回能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以靈活布置在重要部位，在不顯著增加造價的情況下能明顯改善抗震性能。本研究通過工程實(shí)例，比較不同剛度比下屈曲約束支撐加強(qiáng)薄弱層的效果。

1 工程簡介

1.1 工程概況

本研究以一個實(shí)際的酒店工程為背景進(jìn)行建模分析，該酒店結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上九層，酒店底層層高4.5 m，其余層高3.6 m，該建筑使用壽命為50年，該建筑設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，建筑場地類別為Ⅱ類，地震分組為第二組，場地特征周期為0.40 s。

通過對原結(jié)構(gòu)建模分析，底層與第二層出現(xiàn)明顯的剛度突變，如果繼續(xù)增大底層柱子截面尺寸會影響建筑空間使用，因此考慮采用設(shè)置支撐的方法來增大薄弱層剛度來改善結(jié)構(gòu)剛度突變。由于普通支撐在軸向壓力作用下容易屈曲，對抗震不利且不經(jīng)濟(jì)，故該工程采用屈曲約束支撐較為合理。結(jié)構(gòu)三維計算簡圖見圖1。

圖1 三維計算模型簡圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

針對以上工程問題，本研究只在首層布置屈曲約束支撐，并對屈曲約束支撐的剛度進(jìn)行研究。

1.3 屈曲約束支撐的選用

1.3.1 支撐布置方式。屈曲約束支撐布置形式靈活多樣，通常需要考慮門窗洞口、建筑物形式、建筑物受力等多方面因素的影響。所以要特別注意支撐布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)，屈曲約束支撐的布置通常由V型、斜向、K型、人字形、交叉等，本研究采用斜向布置。

1.3.2 支撐布置原則。支撐的布置應(yīng)使建筑物在X、Y方向的動力特性盡可能相近，在結(jié)構(gòu)的豎直方向應(yīng)該使建筑物剛度盡可能均勻，最好不要出現(xiàn)明顯的薄弱部位，更不能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，盡可能使支撐布置比較分散。

1.3.3 屈曲約束支撐抗側(cè)剛度比。水平地震作用下，對于屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)體系，屈曲約束支撐會在結(jié)構(gòu)屈服之前屈服，這就要求支撐的剛度不能過大，如果屈曲約束支撐的側(cè)向剛度過大，會增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力，減小整體的側(cè)向位移，但地震響應(yīng)也會變大；這樣結(jié)構(gòu)就不具備抵抗地震的能力。所以，為了讓框架和支撐結(jié)構(gòu)能夠更好地耗能，框架支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度比要控制在合理范圍內(nèi)［5］。

采用D值法求得結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度KF，則屈曲約束支撐和結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的比值如式（1）所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］建議抗側(cè)剛度比k的取值范圍為0.5≤k≤2，本研究初選抗側(cè)剛度比k=0.5、1、1.5、2進(jìn)行初步計算。

2 抗震性能分析

2.1 模態(tài)分析

采用圖1原結(jié)構(gòu)模型以及添加支撐后的減震結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ETABS提取結(jié)構(gòu)的周期，其前三階振型動力特性如表1。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

2.2 反應(yīng)譜分析

分別對五種模型在雙向地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)的樓層位移、層間位移角（以X方向?yàn)槔┤绫?。

由表2可以看出，在地震作用下減震結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角均有不同程度的減小，原結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/469。當(dāng)k=0.5時，最大層間位移角為1/577，減震率為18.7%；當(dāng)k=1時，最大層間位移角為1/682，減震率為31%；當(dāng)k=1.5時，最大層間位移角為1/785，減震率為40%；當(dāng)k=2時，最大層間位移角為1/889，減震率為47%，減震效果明顯。但是隨著抗側(cè)剛度比的增大，樓層上部結(jié)構(gòu)層間位移角有增大趨勢。

表2 樓層位移、層間位移角

2.3 時程分析

本研究對不同剛度比的結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的時程分析，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，地震波的選取要滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）要求，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65%，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80%的要求［7］。

2.3.1 地震波的選取。依照抗震規(guī)范選取一條天然波和兩條人工波，選取兩條天然波分別為EL Centro波和TAFT波。本研究選用EL Centro波作為計算對象。

采用FNA法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，按照規(guī)范要求，對三種波進(jìn)行調(diào)整，分別在不同剛度比的結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)模型中輸入三種地震波進(jìn)行分析，得到其動力響應(yīng)（以X方向?yàn)槔?，本研究只列舉在EL Centro波作用下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.3.2 罕遇地震下的時程分析。罕遇地震下的時程分析，其層間位移角、層間位移見表3。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，罕遇地震下層間位移角為1/50，由表3可知，均小于規(guī)范值，增設(shè)屈曲約束支撐之后結(jié)構(gòu)的層間位移角隨著抗側(cè)剛度的增加逐漸減小，當(dāng)k=0.5時，減震率為24.8%；當(dāng)k=1.5時，減震率為34.1%；當(dāng)k=1.5時，減震率為37%；當(dāng)k=2.0時，減震率為38%，說明屈曲約束支撐有較好的減震能力。由表3可知，剛度也不是越大越好，當(dāng)大于1時，結(jié)構(gòu)的減震效果不再明顯。而上部結(jié)構(gòu)的減震效果隨著抗側(cè)剛度的增加有增加的趨勢。

表3 El Centro波作用下層間位移角

3 結(jié)語

本研究通過對存在首層薄弱的酒店結(jié)構(gòu)建模分析可知，采用BRB能有效地改善首層薄弱的問題，但隨著BRB與結(jié)構(gòu)剛度比的增加，減震結(jié)構(gòu)的減震效果在剛度比為1時減震效果最佳，雖然繼續(xù)增加能減少結(jié)構(gòu)的層間位移角，但不經(jīng)濟(jì)。如果再繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)的上部樓層層間位移角有增大的趨勢。