劉正雄,鄭希明
(中國中元國際工程有限公司,北京100089)
為提高高層鋼框架結(jié)構(gòu)的承載能力和側(cè)向剛度,避免過多地加大梁柱截面而增加用鋼量,常在框架中布置豎向支撐,使結(jié)構(gòu)在承受水平風(fēng)荷載、地震荷載時,框架有兩道抗側(cè)力防線。普通支撐受壓會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象,當(dāng)支撐受壓屈曲后,剛度和承載力急劇降低。為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題,在支撐外部設(shè)置套管,約束支撐的受壓屈曲,構(gòu)成屈曲約束支撐(BRB),如圖1 所示。屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良,通過合理、有效地布置,可以全面提高傳統(tǒng)的支撐框架在中震和大震下的抗震性能[1]。
圖1 屈曲約束支撐
屈曲約束支撐僅芯板與其他構(gòu)件連接,所受的荷載全部由芯板承擔(dān),外套筒和填充材料僅約束芯板受壓屈曲,使芯板在受拉和受壓下均能進(jìn)入屈服[2]。因而,屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良,一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷,另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力,使得主體結(jié)構(gòu)在中地震下基本處于彈性范圍內(nèi)[3]。
抗震設(shè)計(jì)中,普通鋼支撐承載力設(shè)計(jì)值為:
式中,φ 為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);A為支撐的截面面積;f為支撐材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;λn為支撐的正則化長細(xì)比,λn=(λ/π)(其中,λ 為支撐長細(xì)比;fy為鋼材屈服強(qiáng)度;E為鋼材彈性模量)。
屈曲約束支撐承載力設(shè)計(jì)值為:
式中,A1為約束屈服段的鋼材截面面積;fy為芯板鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。
容易看出,普通鋼支撐承載力由其構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ 控制,而屈曲約束支撐承載力不受穩(wěn)定性約束。兩者相減可得:當(dāng)長細(xì)比λ>18 時,承載力設(shè)計(jì)值屈曲約束支撐大于普通鋼支撐,一般屈曲約束支撐都可以滿足。
彈性階段工作時,屈曲約束支撐就如同普通支撐,可為結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度;彈塑性階段工作時,屈曲約束支撐變形能力強(qiáng)、滯回性能好,就如同一個性能優(yōu)良的耗能阻尼器[4],兩者滯回曲線對比見圖2。
圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對比
北京世紀(jì)壇醫(yī)院急診急救綜合樓,建筑面積61500m2,其中地上44200mm2,地下17300m2。主體地下3 層,地上12 層,5 層及以下為一底盤,5 層以上分為雙塔。根據(jù)建筑功能,本項(xiàng)目不分縫,按大底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)為鋼框架+屈曲約束支撐,基礎(chǔ)為平板筏基+上柱墩。地震設(shè)計(jì)參數(shù):場地類別Ⅱ類,設(shè)防烈度8 度(0.2g),抗震設(shè)防類別乙類,設(shè)計(jì)地震分組第二組,特征周期0.4s。地上鋼材牌號:鋼框柱、主梁Q345C,次梁Q345B,支撐Q235B。
根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)體系及平面布置,判斷結(jié)構(gòu)的超限情況見表1。
表1 結(jié)構(gòu)超限判別
結(jié)論:根據(jù)JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]3.3.2,4a 與4b 同屬側(cè)向剛度不規(guī)則,不重復(fù)計(jì)算不規(guī)則項(xiàng),故本工程同時存在2 項(xiàng)不規(guī)則情況,屬于建筑形體不規(guī)則類型,但不屬于超限高層建筑。
根據(jù)構(gòu)件的重要性,確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo),如表2 所示。
表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)
本項(xiàng)目地上主要構(gòu)件均為鋼材,試算發(fā)現(xiàn)地上結(jié)構(gòu)難以滿足高承載力要求,而延性較好。按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]17.1,經(jīng)綜合分析比較,主體結(jié)構(gòu)為性能6,乙類設(shè)防下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級為Ⅰ級,即按高延性、低承載力設(shè)計(jì)。
1)對無控模型進(jìn)行小震反應(yīng)譜法計(jì)算,初步確定減震目標(biāo),預(yù)估阻尼器數(shù)量。
初步確定方案,采用盈建科軟件1.9.2.0,對世紀(jì)壇醫(yī)院無支撐純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析,通過阻尼比試算預(yù)估阻尼器數(shù)量,地上約100 個。也可按照建筑面積估算屈曲約束支撐數(shù)量,按經(jīng)驗(yàn)平均每500m2設(shè)1 個,世紀(jì)壇醫(yī)院地上部分建筑面積約48000m2,需支撐數(shù)約96 個。
2)初步設(shè)計(jì)有控模型,進(jìn)行小震反應(yīng)譜法計(jì)算。
屈曲約束支撐可選用單斜撐、人字型或V 型支撐,布置時可依照以下原則:(1)地震作用下產(chǎn)生較大支撐內(nèi)力的部位;(2)地震作用下層間位移較大的樓層;(3)宜沿結(jié)構(gòu)2 個主軸方向分別設(shè)置;(4)可采用中心或偏心支撐的布置形式,當(dāng)采用偏心支撐布置時,設(shè)計(jì)中應(yīng)保證支撐先于框架梁屈服。初步選取2 種屈曲約束支撐等效截面 120mm×120mm×40mm×40mm、 120mm×120mm×20mm×20mm,布置完成共108 個。有控模型見圖3。
圖3 有控結(jié)構(gòu)模型
輸入支撐的初始剛度和阻尼,對有控模型進(jìn)行小震反應(yīng)譜法計(jì)算,查看其層間位移角和位移比。
3)有控模型計(jì)算支撐的有效剛度和阻尼。
在盈建科軟件“彈性時程分析”模塊的“人工波生成”對話框上生成一條和規(guī)范譜擬合得非常好的人工波,在“直接積分法時程計(jì)算參數(shù)”中勾選“計(jì)算減隔震元件有效剛度和阻尼”,進(jìn)行直接積分法時程分析,計(jì)算后查看能量曲線和內(nèi)力滯回曲線,一層支撐滯回曲線見圖4??梢钥闯?,小震下BRB 基本處于彈性,無剛度退化,未進(jìn)入塑性耗能階段。
4)將有效剛度和阻尼代入支撐,對有控模型再次進(jìn)行小震反應(yīng)譜法計(jì)算。
圖4 小震下支撐內(nèi)力滯回曲線
勾選設(shè)計(jì)參數(shù)“地震信息”中的“連接單元的有效剛度和阻尼自動采用直接積分法時程計(jì)算結(jié)果”,軟件將上一步得到的支撐有效剛度和阻尼代入模型重新計(jì)算,計(jì)算完成查看位移角和位移比。在設(shè)計(jì)結(jié)果的“周期振型”中查看計(jì)算得出的阻尼比,減去計(jì)算參數(shù)中全樓阻尼比,即可得到附加阻尼比結(jié)果。
5)查看結(jié)果并優(yōu)化得到理想設(shè)計(jì)方案。
優(yōu)化支撐截面,最終計(jì)算得到4 種屈曲支撐等效截面,截面尺寸及對應(yīng)BRB 型號見表3。
表3 支撐等效截面尺寸及對應(yīng)BRB型號
通過對比本項(xiàng)目加設(shè)屈曲約束支撐和未設(shè)支撐的結(jié)構(gòu),在2 方案主要指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,用鋼量對比見表4。
表4 無支撐與有支撐方案用鋼量對比
可見,無支撐時梁、柱型鋼截面較大,用鋼量為5731t,加支撐時用鋼量為5429t,用鋼量節(jié)省302t,約5.6%,且屈曲約束支撐增加了結(jié)構(gòu)的可靠度。綜合考慮,采用鋼框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。
6)對特殊構(gòu)件中大震分析驗(yàn)算。
導(dǎo)入地震波,進(jìn)行動力彈塑性分析后,得到能量曲線和一層支撐的滯回曲線(見圖5、圖6)??梢钥闯觯笳鹣翨RB 和主體結(jié)構(gòu)均進(jìn)入塑性階段,BRB 耗能作用明顯。
圖5 大震能量曲線
圖6 大震下支撐內(nèi)力滯回曲線
1)本文對高層鋼框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了梳理,流程見圖7。
圖7 高層鋼框架- 屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖
2)屈曲約束支撐對高層鋼框架的抗震性能影響明顯,在提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)自重、耗散地震能量等方面發(fā)揮著重要作用。
3)高層鋼框架布置屈曲約束支撐時宜重點(diǎn)考慮層間位移較大及薄弱部位,如低樓層、邊跨、梯井等。
4)高層鋼框架結(jié)構(gòu)一般側(cè)向剛度較弱,但延性較好,在中高烈度設(shè)防區(qū)域,選取性能目標(biāo)時建議采用高延性低承載力設(shè)計(jì),通過控制構(gòu)件截面板件寬厚比提高結(jié)構(gòu)延性。