防屈曲支撐在高位機(jī)廠房抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

張小璇

上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司 上海 200433

1 工程概況

某工業(yè)建筑用于承載汽機(jī)和鍋爐，二者分布于2棟相鄰的結(jié)構(gòu)。其中一棟的主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層高差較大，開洞較多且不規(guī)則，其標(biāo)高81 m的運(yùn)轉(zhuǎn)層用于承載高位汽機(jī)，質(zhì)量達(dá)到6 000 t以上；與其緊鄰的鍋爐廠房則采用純鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，該廠房?jī)?nèi)設(shè)備與高位機(jī)廠房中的汽機(jī)存在管道連接，為保障設(shè)備正常使用，抗震設(shè)計(jì)須滿足如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：高位汽機(jī)標(biāo)高處，2棟結(jié)構(gòu)在小震作用下沿結(jié)構(gòu)y方向的變形差最大值不超過15 mm；結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)按照1級(jí)；在多遇地震下，全結(jié)構(gòu)須完全保持彈性。

由于該結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度較高，且需滿足82 m標(biāo)高處由于管道設(shè)備需求的變形要求，為提高結(jié)構(gòu)抗震性能，同時(shí)增加2棟框架結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性，本文提出在2棟結(jié)構(gòu)之間設(shè)置3道延性較好的屈曲約束支撐方法。

2 屈曲約束支撐方案

2.1 屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)特性

屈曲約束支撐（BRB）是一種金屬耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由芯材、外套筒以及套筒內(nèi)無黏結(jié)材料組成。它既可以在小震下作為抗側(cè)力構(gòu)件，也可以在大震下作為建筑“保險(xiǎn)絲”，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)大震下不發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞[1-2]。

傳統(tǒng)普通支撐，受壓容易發(fā)生整體屈曲，造成結(jié)構(gòu)的承載力和剛度急劇降低。且在往復(fù)荷載作用下，普通支撐的受壓承載和變形能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于受拉，其滯回性能較差。相對(duì)于普通支撐，屈曲約束支撐承載力高、剛度大，具有較好的延性和滯回耗能能力。已有大量試驗(yàn)研究佐證，屈曲約束支撐應(yīng)用于混凝土框架中能夠顯著改善其抗震 性能。

2.2 屈曲約束支撐布置及選型

高位廠房與鍋爐房在26、58 及70 m處，通過BRB相連接以提高兩單體結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能，如圖1所示。

圖1 BRB布置方案

BRB使用軟鋼芯材LY160，其相關(guān)參數(shù)的具體設(shè)置如表1所示。

表1 防屈曲支撐參數(shù)

3 分析模型

采用通用有限元分析軟件SAP2000（V19.0）建立結(jié)構(gòu)分析模型（圖2）。

圖2 SAP有限元模型

4 非線性時(shí)程分析

本節(jié)對(duì)聯(lián)算模型分別進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下的時(shí)程分析。多遇地震工況下采用5條天然波（S181、S586、S667、S868、S919）和2條人工波（AT-1、AT-4）進(jìn)行雙向地震輸入，設(shè)防地震及罕遇地震工況下采用2條天然波和1條人工波進(jìn)行雙向地震輸入，多遇地震工況、設(shè)防地震工況、罕遇地震工況下的有效峰值加速度分別按照18、50、125 gal（分別約合0.018g、0.051g、0.128g）輸入。天然波、人工波反應(yīng)譜如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，如表2所示。

圖3 多遇地震下地震波反應(yīng)譜

表2 動(dòng)力時(shí)程分析基底剪力與反應(yīng)譜法對(duì)比 單位：kN

主要考察結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下的樓層剪力分布及層間位移角分布情況，考察結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震及罕遇地震作用下的彈塑性性能，驗(yàn)算BRB在各階段的工作狀態(tài)，使其在多遇地震及設(shè)防地震作用下保持在彈性工作狀態(tài)，罕遇地震作用下處于屈服耗能狀態(tài)，同時(shí)驗(yàn)算防屈曲支撐在風(fēng)荷載作用下的工作狀態(tài)，著重考察高位機(jī)廠房及鍋爐鋼架在82 m標(biāo)高處的相對(duì)變形情況。

4.1 多遇地震結(jié)果

高位廠房在多遇地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/2 602，y向的最大層間位移角為1/3 811，均滿足規(guī)范中對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)1/800層間位移角限值的要求。

鍋爐房在多遇地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/3 812，y向的最大層間位移角為1/2 969，遠(yuǎn)小于規(guī)范對(duì)于鋼框架1/250層間位移角限值的要求。在風(fēng)荷載作用下及多遇地震作用下，BRB的承載力及位移均未超過屈服承載力及屈服位移，表明BRB保持在彈性工作狀態(tài)，能很好地連接高位廠房及鍋爐房。

高位廠房與鍋爐房相對(duì)位移的大小能在一定程度上反映二者間的協(xié)同工作性能，取高位廠房右端部與鍋爐房左端部相對(duì)應(yīng)點(diǎn)處相對(duì)位移的不利情況作為兩者間的相對(duì)位移SP1、SP2。結(jié)果顯示，SP1處在各時(shí)程工況下的最大相對(duì)位移為6.49 mm，SP2處在各時(shí)程工況下的最大相對(duì)位移為6.52 mm，均未超過15 mm的設(shè)計(jì)要求。

4.2 設(shè)防地震結(jié)果

高位廠房在設(shè)防地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/1 480，y向的最大層間位移角為1/1 641，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段。鍋爐房在設(shè)防地震作用下的層間位移角分布，x向的最大層間位移角為1/625，y向的最大層間位移角為1/714，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

設(shè)防地震工況下，高位廠房與鍋爐房左右端部相對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的相對(duì)位移時(shí)程曲線， SP1處在各時(shí)程工況下的最大相對(duì)位移為7.49 mm，SP2處在各時(shí)程工況下的最大相對(duì)位移為7.57 mm，也均小于15 mm要求。

4.3 罕遇地震結(jié)果

罕遇地震工況下使用的地震波數(shù)據(jù)與設(shè)防地震相同。高位機(jī)廠房在罕遇地震作用下，x向的最大層間位移角為1/621，y向的最大層間位移角為1/739，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段，滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)框剪結(jié)構(gòu)1/100層間位移角限值的要求。鍋爐鋼架在罕遇地震作用下，x向的最大層間位移角為1/592，y向的最大層間位移角為1/594，表明結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段。

屈曲約束支撐在地震波作用下大部分進(jìn)入屈服段，圖4給出了典型屈曲約束支撐的滯回曲線。由滯回曲線可以看出，屈曲約束支撐在地震作用下性能穩(wěn)定，滯回飽滿，能夠充分發(fā)揮耗散地震能量的作用。

圖4 罕遇地震作用下典型屈曲約束支撐滯回曲線

從結(jié)果可以看出：SP1處在各時(shí)程工況下的x方向最大相對(duì)位移為37.06 mm，SP2處在各時(shí)程工況下的x方向最大相對(duì)位移為37.49 mm；SP1處在各時(shí)程工況下的y方向最大相對(duì)位移為19.76 mm，SP2處在各時(shí)程工況下的y方向最大相對(duì)位移為17.93 mm。

從聯(lián)算結(jié)構(gòu)在各地震波罕遇地震工況下的塑性鉸分布情況（圖5～圖7）可以看出：高位機(jī)廠房進(jìn)入塑性的程度較深，但塑性鉸均處于第1階段，并未出現(xiàn)倒塌情況，表明結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性工作階段；鍋爐鋼架整體上基本處于彈性工作狀態(tài)，上部及頂層部分支撐受壓屈服，極少數(shù)支撐有受壓失穩(wěn)趨勢(shì)，應(yīng)注意加強(qiáng)，墻體的整體損傷在可控范圍內(nèi)，總體上實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

圖5 天然波1作用下x向整體及高位機(jī)廠房底部框架部分出鉸情況

圖6 天然波1作用下y向整體及高位機(jī)廠房底部框架部分出鉸情況

圖7 天然波1作用下x和y向與支撐相連的梁柱均保持彈性

5 結(jié)語(yǔ)

從以上的計(jì)算分析結(jié)果可以得到， 防屈曲支撐在多遇地震工況、設(shè)防地震工況、風(fēng)荷載工況下均保持彈性工作狀態(tài)，能有效連接高位廠房及鍋爐房；多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下，高位廠房與鍋爐房的最大相對(duì)位移分別為6.52、7.73、18.74 mm，其中多遇地震作用下的相對(duì)位移未超過15 mm的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系與鋼框架結(jié)構(gòu)體系相連接，即剛?cè)狍w系連接，使用具有優(yōu)異延性的屈曲約束支撐可以保證結(jié)構(gòu)本身的整體性。因此，在高位機(jī)廠房中使用防屈曲約束支撐連接鍋爐鋼架，是一種可行方案，建議在工業(yè)工程中推廣應(yīng)用。