屈曲約束支撐在大同客運(yùn)東站工程中的應(yīng)用

孫 曉 霞

(大同市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 大同 037006)

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年文件，要有序推進(jìn)建筑工程應(yīng)用減隔震技術(shù)，確保工程質(zhì)量。位于抗震設(shè)防烈度8度以上地震高烈度區(qū)、地震重點(diǎn)防御區(qū)或?yàn)?zāi)后重建階段的新建3層以上學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)；鼓勵重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑和位于抗震設(shè)防烈度8度以上高烈度區(qū)的建筑采用減隔震技術(shù)。山西省全省77%的面積屬于高烈度區(qū)，尤其大同、朔州、忻州為重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)，因此山西省提出了更高的要求，對于抗震設(shè)防烈度8度的地區(qū)、地震重點(diǎn)危險(xiǎn)的地區(qū)學(xué)校和幼兒園的新建的教學(xué)用房、學(xué)生宿舍、學(xué)生食堂以及醫(yī)院的新建醫(yī)療建筑，必須采用減隔震技術(shù)；重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑，優(yōu)先采用減隔震技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑，提倡采用減隔震技術(shù)?，F(xiàn)在減隔震技術(shù)在山西省已得到一些應(yīng)用，但在大同應(yīng)用的并不多。2015年《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》修訂，2016年8月，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂，大同城區(qū)、礦區(qū)、南郊區(qū)、大同縣的抗震設(shè)防烈度都提高到了8度，因此抗震設(shè)計(jì)中減隔震技術(shù)的推廣形勢十分嚴(yán)峻。

結(jié)構(gòu)在地震作用下會產(chǎn)生振動，過大的結(jié)構(gòu)振動不僅會影響它的正常使用，還會造成主體結(jié)構(gòu)的破壞，甚至倒塌。為了保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全，減輕地震災(zāi)害，各國的土木工程技術(shù)人員致力于提高結(jié)構(gòu)的抗震能力的研究，并且形成了一套完整的抗震設(shè)計(jì)理論。主要是通過增加結(jié)構(gòu)自身剛度、強(qiáng)度和延性的方法，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防要求，結(jié)構(gòu)處于被動抵御地震的狀態(tài)。屈曲約束支撐(Buckling Restrained Braces,簡稱BRB)是一種新型的，不同于傳統(tǒng)支撐的支撐構(gòu)件。它利用鋼材宏觀上發(fā)生軸向拉壓塑性變形來消耗地震能量的耗能減震裝置，同時受到軸力的時候不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)，所以跟傳統(tǒng)的支撐相比，耗能能力提高很多，使用了屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)體系的抗震性能都得到了很大的提升。所以，屈曲約束支撐適用于大跨度結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固改造工程，在這些工程中它的優(yōu)良性能對結(jié)構(gòu)安全性的提高得到很好地體現(xiàn)。因此，深入開展對于屈曲約束支撐構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)體系的研究，為工程提供經(jīng)驗(yàn)，從而進(jìn)一步推廣使用就成為非常有意義的工作。

屈曲約束支撐由兩部分組成，一是外圍約束，二是承受軸力的鋼支撐內(nèi)核芯材，兩者之間通過填充砂漿或者混凝土來達(dá)到外圍約束對內(nèi)核芯材的約束作用，防止內(nèi)核芯材受壓屈服?；炷梁弯撝蝺?nèi)芯之間通過潤滑材料分開，以使鋼支撐的內(nèi)芯能夠在混凝土中產(chǎn)生滑動。在地震作用下，支撐的內(nèi)芯主要承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)受到的水平地震力，而約束構(gòu)件僅對支撐的受壓屈服提供限制，從而使屈曲約束支撐在拉壓兩個方向都接近二力桿受力。外圍的約束套管是由鋼板、鋼管或鋼筋混凝土空心管組成，鋼支撐內(nèi)芯是由低屈服點(diǎn)的鋼材制作而成，分為核心段、過渡段、連接段三部分。其中核心段使屈曲約束支撐是受力最關(guān)鍵的區(qū)域，全長都被外圍約束結(jié)構(gòu)包裹著。核心段的截面形式多種多樣，主要有一字型、十字型、工字型等，而以十字型最為普遍。

屈曲約束支撐設(shè)置的部位應(yīng)能最大限度地發(fā)揮它的耗能作用，同時又不能影響建筑的使用功能，而且還要能滿足結(jié)構(gòu)整體受力的需要。屈曲約束支撐可以按照下面原則布置：

1)地震作用下產(chǎn)生較大層間位移的樓層。

2)地震作用下產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)內(nèi)力的部位。

3)宜沿著結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別設(shè)置。

4)可采用單斜撐、人字型、V字型布置，也可以采用偏心支撐布置。當(dāng)采用偏心支撐布置時，應(yīng)保證支撐先于框架梁屈服。

屈曲約束支撐制作精度要求較高，需要專門的廠家制作，安裝，使用中后期維護(hù)，并有嚴(yán)格的產(chǎn)品制作和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

1 大同客運(yùn)東站工程概況

大同汽車客運(yùn)東站位于山西省大同市御東新區(qū)，為新建汽車站，用地周邊比較空曠，用地北側(cè)為規(guī)劃路，東側(cè)為文瀛湖引水渠，南側(cè)為北環(huán)路。

項(xiàng)目總占地面積161 109.35 m2(約241.66畝)，其中汽車站用地面積140 538.41 m2(約210.8畝)，代征道路用地面積20 570.94 m2(約30.86畝)。

項(xiàng)目為一級汽車站，建筑占地面積15 341.5 m2，總建筑面積34 150.89 m2(其中地上建筑面積33 621.39 m2，地下建筑面積529.5 m2)。由客運(yùn)綜合樓、綜合辦公樓、例檢洗車、修理車間、加油加氣站等五組建筑組成。其中，客運(yùn)綜合樓功能復(fù)雜、體形較大、結(jié)構(gòu)形式多樣，具體分區(qū)見圖1。

1)基本風(fēng)壓(50年一遇)：Wo=0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2)基本雪壓(50年一遇)：So=0.25 kN/m2。

3)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

本工程場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g(第二組)。

建筑抗震設(shè)防類別：客運(yùn)綜合樓為重點(diǎn)設(shè)防類。

4)本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年。

候車大廳(A3區(qū))具體情況如下：

結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?？蚣芸拐鸬燃墳橐患?大跨度公共建筑)，候車廳大跨度擬采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁。布置了屈曲約束支撐的空間模型見圖2。

2 抗震設(shè)計(jì)及問題

按抗震規(guī)范要求，需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性分析與計(jì)算。

1)采用有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，考慮豎向地震力和偶然偏心以及平扭耦連，充分考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)達(dá)到18個，振型有效質(zhì)量大于90%。

2)設(shè)置六道柱間屈曲約束支撐，根據(jù)建筑功能要求，本工程屈曲約束支撐主要布置在建筑的四個邊。從而增大整體結(jié)構(gòu)抗扭剛度，有效減小了平面扭轉(zhuǎn)的問題；提高結(jié)構(gòu)耗能能力和延性能力，改善了結(jié)構(gòu)抗震性能。

本工程采用PKPM-SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時，假定結(jié)構(gòu)與構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，內(nèi)力和變形分析采用線性靜力方法進(jìn)行。

計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)控制指標(biāo)均在現(xiàn)行規(guī)范容許范圍之內(nèi)，構(gòu)件基本無超筋現(xiàn)象?？瓦\(yùn)綜合樓A3區(qū)的整體分析部分結(jié)果如表1所示。

表1 客運(yùn)綜合樓A3區(qū)SATWE計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)在地震作用下的分析，可以得出如下結(jié)論：

1)本工程采用PKPM軟件進(jìn)行多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)周期、層間位移角、位移比、剛重比等主要結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)數(shù)值均在合理范圍內(nèi)，符合抗規(guī)及高規(guī)的要求。屈曲約束支撐承擔(dān)了約20%的基底剪力，很好地起到第一道防線的作用，從而增加了結(jié)構(gòu)在地震作用下的可靠性。屈曲約束支撐既能在小震階段為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，也能在中震、大震作用下耗能，從而為整體結(jié)構(gòu)提供了附加阻尼，減輕主體結(jié)構(gòu)的震害。

2)抗震性能分析結(jié)果表明，通過合理地布置屈曲約束支撐，選用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置屈曲約束支撐框架達(dá)到在小震作用下主體結(jié)構(gòu)完好、在中震作用下輕微損壞可修、在大震作用下中等破壞不倒的抗震性能目標(biāo)。

3)屈曲約束支撐在大震階段耗能效果明顯，構(gòu)件設(shè)計(jì)時要重視核心單元材料的選取，從而確保屈曲約束支撐的塑性變形能力和耗能能力。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視結(jié)構(gòu)體系的選擇，并應(yīng)做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以確保結(jié)構(gòu)的受力體系的合理性。選用屈曲約束支撐，能為主體結(jié)構(gòu)提供地震時的耗能能力，從而減小結(jié)構(gòu)主體受到的地震力，為結(jié)構(gòu)提供了類似“保險(xiǎn)絲”的功能。該工程在地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)與預(yù)期相符，并且滿足規(guī)范的要求。本工程結(jié)構(gòu)選型合理，受力明確，大震作用下結(jié)構(gòu)的安全性大大提高，可為高烈度地區(qū)的類似工程提供較好的借鑒作用。