顧 建,柏 蕾

(上海聯(lián)創(chuàng)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210005)

0 引言

屈曲約束支撐(BRB)在新建及抗震加固項(xiàng)目中較多使用[1-3]，其具有優(yōu)良的抗震耗能性能和安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

本文以天津某商業(yè)建筑為研究實(shí)例，介紹了BRB設(shè)計(jì)方案、減震效果，為類似工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)，由商業(yè)、酒店及辦公樓組成，三者之間均設(shè)置抗震縫脫開(kāi)，本文以商業(yè)為研究對(duì)象。商業(yè)采用框架結(jié)構(gòu)體系，地上4層，面積約1.66萬(wàn)m2；設(shè)兩層地下室(局部位于地鐵站臺(tái)結(jié)構(gòu)之上)。商業(yè)平面輪廓尺寸約為73 m×73 m，地上各層層高5.1 m，室內(nèi)外高差0.45 m，總高度約21 m。圖1為商業(yè)立面效果圖。

該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a。建筑抗震設(shè)防類別為丙類(標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別)，抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期為0.75 s。本工程框架柱主要截面采用800 mm×800 mm，框架梁主要截面采用400 mm×800 mm～900 mm，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板厚度120 mm,100 mm。

本工程按抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用純框架結(jié)構(gòu)，層間位移角不滿足規(guī)范要求且框架梁、柱截面及配筋均較大；而且為便于后期商業(yè)使用不得增設(shè)框架柱或剪力墻，因此采用框架結(jié)構(gòu)+屈曲約束支撐(BRB)結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

采用屈曲約束支撐(BRB)主要優(yōu)勢(shì)如下：1)相比于普通鋼支撐，BRB不存在面內(nèi)與面外失穩(wěn)的問(wèn)題，不存在剛度突變的情況；2)BRB在風(fēng)荷載及多遇地震作用下能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供剛度，合理布置BRB可較高效提高結(jié)構(gòu)剛度、控制結(jié)構(gòu)位移角或位移比；3)在設(shè)防烈度地震作用和罕遇地震作用下，BRB結(jié)構(gòu)體系具有耗能能力好、對(duì)主體結(jié)構(gòu)能起到充分的保護(hù)作用；4)屈曲約束支撐如在罕遇地震中損壞，更換便捷。

1.2 屈曲約束支撐方案及技術(shù)參數(shù)

本工程在1層～3層共布置了48個(gè)屈曲約束支撐，詳見(jiàn)圖2和圖3，頂層未布置。本工程實(shí)際所選用的BRB技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。每個(gè)BRB子框架均按“人”字形布置屈曲約束支撐。

表1 BRB設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量

2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析

小震作用下，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用SATWE，控制整體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好無(wú)損。小震彈性計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法，按規(guī)范要求考慮抗震等級(jí)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、荷載及材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值，風(fēng)荷載參與組合設(shè)計(jì)。小震分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 小震分析結(jié)果對(duì)比

由表1和圖4可知，采用框架結(jié)構(gòu)難以滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值要求。采用框架結(jié)構(gòu)+屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，小震作用下利用BRB提供剛度，中震、大震作用下BRB提供附加阻尼耗散地震能量，減輕結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)構(gòu)滿足性能化設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)核查結(jié)構(gòu)模型，在小震階段出力最大的BRB出力為1 729 kN，小于其屈服力，屈曲約束支撐在小震下處于彈性狀態(tài)。

3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

3.1 地震波的選取及分析模型驗(yàn)證

本工程按規(guī)范要求選取了2條強(qiáng)震記錄和1條人工模擬加速度時(shí)程，3條時(shí)程曲線如圖5所示。

使用PERFORM-3D軟件[4]對(duì)本工程進(jìn)行彈塑性分析；該軟件是一個(gè)致力于研究抗震設(shè)計(jì)的非線性軟件工具，通過(guò)使用以變形為基礎(chǔ)或者以強(qiáng)度為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)來(lái)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。

為了校核所建立PERFORM-3D模型的準(zhǔn)確性，將PERFORM-3D和SATWE模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)模型吻合度高，如表3所示。

表3 原結(jié)構(gòu)模型周期及質(zhì)量對(duì)比

同時(shí)地下室剛度滿足上部結(jié)構(gòu)的嵌固要求，故中震及大震分析考慮到模型計(jì)算效率均僅取上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.2 設(shè)防地震響應(yīng)分析

對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)選取AW1,CHI 和WHI三條時(shí)程波進(jìn)行設(shè)防地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并提取其層間位移角(見(jiàn)表4)。

表4 設(shè)防地震結(jié)構(gòu)層間位移角

AW1，CHI 和WHI時(shí)程波設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)減震后的X,Y向?qū)娱g位移角如圖6所示。

由上述AW1，CHI 和WHI三條時(shí)程波在設(shè)防地震作用下X,Y向的計(jì)算結(jié)果可知，消能減震結(jié)構(gòu)的層間位移角都不大于1/190，這充分說(shuō)明結(jié)構(gòu)采用屈曲約束支撐進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)是切實(shí)有效的。

以ART時(shí)程波為例，對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震作用下的彈塑性屈服機(jī)制分析。圖7,圖8分別為ART時(shí)程波作用下整體結(jié)構(gòu)X,Y向累計(jì)塑性發(fā)展示意圖。由圖7，圖8可知，僅少量梁進(jìn)入LS狀態(tài)，結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的塑性發(fā)展機(jī)制。在設(shè)防地震作用下，屈曲約束支撐屈服進(jìn)入耗能狀態(tài)，部分框架梁屈服并進(jìn)入LS狀態(tài)，滿足“中震可修”要求。

考察屈曲約束支撐在設(shè)防地震作用下的出力最大為2 084 kN，對(duì)應(yīng)的位移為43.5 mm，而屈曲約束支撐的屈服承載力為1 904 kN，小于2 084 kN，說(shuō)明屈曲約束支撐在中震下進(jìn)入屈服耗能階段。

4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

繼續(xù)使用PERFORM-3D軟件及中震選取的三條地震波進(jìn)行大震彈塑性分析。

4.1 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移角結(jié)果

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角見(jiàn)表5。

表5 罕遇地震結(jié)構(gòu)層間位移角

AW1，CHI 和WHI時(shí)程波罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)減震后的X，Y向?qū)娱g位移角如圖9所示。

由上述AW1，CHI 和WHI三條時(shí)程波在罕遇地震作用下X，Y向的計(jì)算結(jié)果可知，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角都滿足文獻(xiàn)[5]及規(guī)范[6]1/50的限值要求，這充分說(shuō)明結(jié)構(gòu)采用屈曲約束支撐進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)是切實(shí)有效的。

4.2 BRB耗能滯回曲線及出力分析

選取ART波X，Y方向各一個(gè)BRB，給出其在罕遇地震下的滯回曲線如圖10所示。

考察模型，BRB在罕遇地震作用下的出力最大為2 181 kN，對(duì)應(yīng)的位移為62.6 mm。GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12.3.5條規(guī)定，消能器的極限位移應(yīng)不小于罕遇地震下消能器最大位移的1.2倍；本工程BRB最大位移為62.6 mm，其1.2倍為75.1 mm，本項(xiàng)目取其極限位移為80 mm，滿足規(guī)范的要求。

4.3 消能減震結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展

以WHI時(shí)程波為例，對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性屈服機(jī)制分析。其中圖11，圖12分別為WHI時(shí)程波作用下整體結(jié)構(gòu)X，Y向隨時(shí)間步長(zhǎng)增加的彈塑性發(fā)展示意圖及最終BRB子框架屈服情況示意圖。

由圖7～圖10可知，設(shè)置BRB的消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下基本呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機(jī)制。且與BRB相連的子框架均未達(dá)到極限承載力，沒(méi)有出現(xiàn)破壞，滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[7]中的要求，這表明主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善，從而使得整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更有利于實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在屈曲約束支撐上，其次出現(xiàn)在框架梁上，最后出現(xiàn)在框架柱上，滿足結(jié)構(gòu)“BRB-梁-柱”的屈服機(jī)制；從屈服數(shù)量看，BRB和框架梁較多，框架柱較少；從塑性發(fā)展程度看，梁柱塑性狀態(tài)均處于“IO”狀態(tài)，為輕微塑性狀態(tài)。同時(shí)，大部分屈曲約束支撐進(jìn)入屈服耗能狀態(tài)，說(shuō)明大震下屈曲約束支撐進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；與BRB相連的子框架均未達(dá)到極限承載力，滿足“大震不屈服”的性能目標(biāo)。

5 結(jié)論

本工程采用框架結(jié)構(gòu)+屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)分析減震結(jié)構(gòu)在小震以及中、大震作用下結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，得出如下結(jié)論：

1)本工程按8度(0.2g)進(jìn)行抗震設(shè)防，采用框架結(jié)構(gòu)+屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系，BRB在小震下為結(jié)構(gòu)提供附加剛度，中、大震下提供附加阻尼，使結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2)本工程在多遇地震下能夠保持彈性，樓層剪力、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、周期比等主要指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3)中震下選用三條地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，滿足“中震可修”的設(shè)防目標(biāo)要求。

4)大震下選用三條地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)要求。

5)在罕遇地震作用下，大部分屈曲約束支撐進(jìn)入屈服耗能狀態(tài)，說(shuō)明大震下屈曲約束支撐進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；與BRB相連的子框架均未達(dá)到極限承載力，滿足“大震不屈服”的性能目標(biāo)。