高層鋼框架屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉正雄，鄭希明

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 屈曲約束支撐簡(jiǎn)介

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(shí)，框架有兩道抗側(cè)力防線。普通支撐受壓會(huì)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]。

2 屈曲約束支撐優(yōu)點(diǎn)

2.1 承載力高

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(zhǎng)細(xì)比，λn=（λ/π）（其中，λ 為支撐長(zhǎng)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(zhǎng)細(xì)比λ＞18 時(shí)，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。

2.2 延性與滯回性能好

彈性階段工作時(shí)，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(shí)，屈曲約束支撐變形能力強(qiáng)、滯回性能好，就如同一個(gè)性能優(yōu)良的耗能阻尼器[4]，兩者滯回曲線對(duì)比見圖2。

圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對(duì)比

3 高層鋼框架屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

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(chǎng)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(hào)：鋼框柱、主梁Q345C，次梁Q345B，支撐Q235B。

3.2 結(jié)構(gòu)超限判別

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(shí)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。

3.3 性能目標(biāo)

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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，即按高延性、低承載力設(shè)計(jì)。

3.4 設(shè)計(jì)流程

1）對(duì)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(duì)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(gè)。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(gè)，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(gè)。

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(shí)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(gè)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(shí)，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(gè)。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(duì)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(shí)程分析”模塊的“人工波生成”對(duì)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(shí)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(shí)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。可以看出，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(duì)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(dòng)采用直接積分法時(shí)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(duì)應(yīng)BRB 型號(hào)見表3。

表3 支撐等效截面尺寸及對(duì)應(yīng)BRB型號(hào)

通過對(duì)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(duì)比見表4。

表4 無支撐與有支撐方案用鋼量對(duì)比

可見，無支撐時(shí)梁、柱型鋼截面較大，用鋼量為5731t，加支撐時(shí)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(shì)明顯。

6）對(duì)特殊構(gòu)件中大震分析驗(yàn)算。

導(dǎo)入地震波，進(jìn)行動(dòng)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?，大震下BRB 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

4 結(jié)語

1）本文對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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。