裴新新，程俊飛

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102627； 2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，在高烈度區(qū)建設(shè)工程中通過采用隔震減震技術(shù)，來提高結(jié)構(gòu)抗震性能的工程案例越來越多。屈曲約束支撐作為目前較為常見的一種減震技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各類新建混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)及加固改造項(xiàng)目中。高杰等［1］針對北京市軌道交通指揮中心（二期項(xiàng)目），采用理論分析及試驗(yàn)方法研究了普通鋼支撐和屈曲約束支撐兩種支撐相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，研究表明結(jié)構(gòu)中采用的屈曲約束支撐耗能性能良好，有效保證了結(jié)構(gòu)的抗震性能。高鵬等［2］研究了采用屈曲約束支撐加固后的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，分析表明加固后結(jié)構(gòu)屈服破壞順序?yàn)橹?梁-柱，結(jié)構(gòu)冗余度增加。張國偉等［3］研究了帶有屈曲約束支撐的高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)果表明屈曲約束支撐的使用可大幅減少原框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性耗能比例。陳穎智［4］研究了屈曲約束支撐在鋼框架高層超限結(jié)構(gòu)中的實(shí)踐應(yīng)用，結(jié)果表明屈曲約束支撐在罕遇地震下具有良好的耗能能力。黃銳等［5］分析提出了混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的最大適用高度、合理的附加剛度、適宜的層間位移角限值，并研究了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能，結(jié)果表明采用屈曲約束支撐后，混凝土主體框架更易成為 “損傷可控結(jié)構(gòu)” 。薛彥濤［6］提出了屈曲約束支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)建議和抗震措施。

近年來，鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，鐵路站房建設(shè)覆蓋區(qū)域越來越廣。采用框架結(jié)構(gòu)體系的高烈度區(qū)鐵路站房在不采用減隔震措施的情況下，為滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸一般較大，不利于建筑功能的實(shí)現(xiàn)和建筑材料的節(jié)約。本文將屈曲約束支撐減震技術(shù)應(yīng)用于鐵路站房的結(jié)構(gòu)體系中，對結(jié)構(gòu)在多遇地震作用和罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行分析，研究屈曲約束支撐在高烈度區(qū)鐵路站房中的應(yīng)用價(jià)值［7］。

1 結(jié)構(gòu)建模

1.1 工程概況

本工程位于云南省昆明市，主站房地上兩層（含局部夾層），總建筑面積為3 000 m2。首層為候車廳、售票廳、售票辦公及出站廳，層高6 m；2層為設(shè)備及辦公用房，布置于候車廳兩側(cè)，層高5 m。站房主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，候車廳上方采用混凝土屋蓋，屋蓋大跨度梁（跨度為27.900 m）采用后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。

根據(jù)TB 10100—2018鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范［8］第7.1.3條，本工程的抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），該結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.3g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。

1.2 減震設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)抗震要求和建筑使用需求，在不增大梁柱構(gòu)件截面尺寸的情況下，采用屈曲約束支撐減震技術(shù)。減震設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

1）多遇地震作用下，屈曲約束支撐不發(fā)生滯回耗能，只提供附加剛度，控制結(jié)構(gòu)層間位移角。根據(jù)《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》［9］的規(guī)定，多遇地震下層間位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［10］限值的90%，即1/605。

2）在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐發(fā)揮耗能作用，考慮構(gòu)件及阻尼器彈塑性性能后，根據(jù)《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》，罕遇地震下層間位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范限值要求的50%，即1/100。

1.3 減震模型建立

根據(jù)JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程［11］第6.2.1條關(guān)于消能部件的布置要求，在結(jié)構(gòu)中布置屈曲約束支撐，同一位置上下兩層連續(xù)布置，支撐布置平面示意圖及立面示意圖如圖1所示。本文采用的屈曲約束支撐力學(xué)模型為雙線性模型，主要參數(shù)有初始剛度、屈服位移、屈服強(qiáng)度和屈服后剛度比等，具體參數(shù)取值見表1。

圖1 屈曲約束支撐布置示意圖

表1 屈曲約束支撐主要參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 反應(yīng)譜分析

多遇地震作用下，分別對設(shè)置屈曲約束支撐的減震結(jié)構(gòu)和不設(shè)置屈曲約束支撐的非減震結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜法分析，比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型的層間位移角。結(jié)構(gòu)最大層間位移角對比結(jié)果見表2。

表2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角對比

由表2可知，多遇地震作用下，屈曲約束支撐的設(shè)置，有效地增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小了結(jié)構(gòu)最大層間位移角，滿足多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2.2 地震記錄的選取

地震記錄的選取須滿足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.2條規(guī)定，同時(shí)需要滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定：彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)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(jì)算結(jié)果的80%，多條時(shí)程曲線計(jì)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(jì)算結(jié)果的95%。

本報(bào)告選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線，地震波反應(yīng)譜和規(guī)范譜對比如圖2所示。圖中7條地震波在結(jié)構(gòu)第一振型周期處對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)平均值與規(guī)范譜相差不超過20%。

圖2 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對比

2.3 彈性時(shí)程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析。

2.3.1 樓層剪力和最大層間位移角

多遇地震下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。各時(shí)程波作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力與反應(yīng)譜方法計(jì)算的樓層剪力對比結(jié)果見表3。

表3 各地震波時(shí)程分析與反應(yīng)譜計(jì)算的樓層剪力對比kN

由表3可知，反應(yīng)譜法各樓層剪力計(jì)算結(jié)果均大于時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果平均值，設(shè)計(jì)時(shí)不需考慮時(shí)程分析放大系數(shù)。

各時(shí)程波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角平均值與反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)果對比見圖3。

由圖3可知，X向和Y向時(shí)程計(jì)算位移角平均值均小于1/605，滿足多遇地震作用下的減震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 多遇地震下減震結(jié)構(gòu)層間位移角

2.3.2 屈曲約束支撐滯回曲線

多遇地震下，典型屈曲約束支撐（BRB-1）滯回曲線如圖4所示。

由圖4可知，多遇地震下，屈曲約束支撐最大出力小于其屈服力2 200 k N，支撐未屈服耗能，僅為結(jié)構(gòu)提供剛度。

圖4 多遇地震下典型屈曲約束支撐滯回曲線圖

2.4 彈塑性時(shí)程分析

2.4.1 層間位移角

罕遇地震作用下，采用PKPM-SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，對比減震結(jié)構(gòu)和非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角，如圖5所示。減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角分別為1/127和1/145，非減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角分別為1/73和1/101，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大層間位移角比值均小于0.75，滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于罕遇地震下層間位移角限值的要求。

圖5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角對比

2.4.2 結(jié)構(gòu)出鉸順序及能量圖

罕遇地震下，結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)，圖6列舉了有代表性的TH057號波在X向單向輸入時(shí)結(jié)構(gòu)的出鉸順序，來說明結(jié)構(gòu)在彈塑性分析過程中的變化情況。

由圖6可知，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)中梁、柱出現(xiàn)塑性鉸的時(shí)間順序基本上為梁先出現(xiàn)梁鉸，柱后出現(xiàn)柱鉸，滿足 “強(qiáng)柱弱梁” 的要求，屈曲約束支撐的設(shè)置，有效提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

圖6 TH057號波結(jié)構(gòu)出鉸圖

圖7為罕遇地震下代表性的地震能量輸入及能量耗散圖。由圖7可知，耗能包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性應(yīng)變能、結(jié)構(gòu)阻尼耗能和屈曲約束支撐耗能，其中結(jié)構(gòu)阻尼耗能占比較高，其次為屈曲約束支撐耗能，結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變能較小，屈曲約束支撐的使用減少了結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變能在耗能總量中的比例，從而減輕了主體結(jié)構(gòu)的損壞。

圖7 能量圖

2.4.3 屈曲約束支撐性能

罕遇地震作用下，本工程典型屈曲約束支撐的滯回曲線如圖8所示。

由圖8可知，罕遇地震作用下，典型屈曲約束支撐最大出力大于其屈服力2 200 kN，滯回曲線飽滿，證明屈曲約束支撐進(jìn)入塑性狀態(tài)，可以有效地耗能。

圖8 典型屈曲約束支撐滯回曲線圖

罕遇地震作用下，首層X向、Y向屈曲約束支撐實(shí)際最大出力之和與該層相對應(yīng)方向的樓層層間屈服剪力之比分別為24.7%（X向）和19.1%（Y向）；2層X向、Y向屈曲約束支撐實(shí)際最大出力之和與該層相對應(yīng)方向的樓層層間屈服剪力之比分別為23%（X向）和25.8%（Y向）?？梢钥闯?，各層BRB實(shí)際最大出力之和，均大于樓層層間屈服剪力的15%，均小于樓層層間屈服剪力的60%，滿足JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程第6.2.2條和《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》的第4.1.2條的要求。

3 減震設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性對比

不采用減震設(shè)計(jì)時(shí)，不改變結(jié)構(gòu)形式的情況下，通過增大梁柱截面尺寸可以得到滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)方案，與采用屈曲約束支撐的減震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行截面尺寸及主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土指標(biāo)對比，結(jié)果見表4。

表4 減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土指標(biāo)對比

由表4可知，采用減震設(shè)計(jì)方案時(shí)，梁柱截面尺寸顯著減小，主體結(jié)構(gòu)每平方米主材用量可節(jié)約10%～15%。

4 結(jié)語

通過對某8度區(qū)鐵路站房設(shè)置屈曲約束支撐，建立結(jié)構(gòu)整體模型，并分別進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程分析，選取5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線，分析了結(jié)構(gòu)在X/Y/Z三向地震輸入時(shí)的抗震性能。得到以下結(jié)論：

1）多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，屈曲約束耗能支撐（BRB）僅為結(jié)構(gòu)提供剛度，不提供附加阻尼比。

2）罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足 “強(qiáng)柱弱梁” 要求。

3）罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1/127，Y向最大層間位移角為1/145，小于GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第5.5.5條規(guī)定的罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/50，同時(shí)滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》第4.1.1條規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性層間位移角限值減小比例不低于GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定限值的50%的要求。

4）罕遇地震作用下，各屈曲約束支撐均進(jìn)入塑性階段，滯回曲線飽滿，耗能良好，能夠?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)提供安全保證。

5）采用屈曲約束支撐減震設(shè)計(jì)方案后，相比非減震設(shè)計(jì)方案，可顯著減小梁柱截面尺寸，增大建筑空間使用效率，主體結(jié)構(gòu)每平方米鋼筋混凝土用量可減少10%～15%。