天津某商業(yè)建筑屈曲約束支撐設計分析

顧 建,柏 蕾

(上海聯(lián)創(chuàng)設計集團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便的特點。

本文以天津某商業(yè)建筑為研究實例，介紹了BRB設計方案、減震效果，為類似工程設計提供設計參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該項目位于天津市濱海新區(qū)，由商業(yè)、酒店及辦公樓組成，三者之間均設置抗震縫脫開，本文以商業(yè)為研究對象。商業(yè)采用框架結構體系，地上4層，面積約1.66萬m2；設兩層地下室(局部位于地鐵站臺結構之上)。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。

該項目建筑結構安全等級為二級，結構設計使用年限為50 a。建筑抗震設防類別為丙類(標準設防類別)，抗震設防烈度為8度(0.20g)，設計地震分組為第二組，場地類別為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。

本工程按抗震設防烈度8度(0.2g)進行設計，采用純框架結構，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)使用不得增設框架柱或剪力墻，因此采用框架結構+屈曲約束支撐(BRB)結構體系，提高結構的抗震性能。

采用屈曲約束支撐(BRB)主要優(yōu)勢如下：1)相比于普通鋼支撐，BRB不存在面內與面外失穩(wěn)的問題，不存在剛度突變的情況；2)BRB在風荷載及多遇地震作用下能夠為結構提供剛度，合理布置BRB可較高效提高結構剛度、控制結構位移角或位移比；3)在設防烈度地震作用和罕遇地震作用下，BRB結構體系具有耗能能力好、對主體結構能起到充分的保護作用；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參數(shù)

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

表1 BRB設計參數(shù)與數(shù)量

2 多遇地震作用下結構分析

小震作用下，結構整體計算采用SATWE，控制整體結構處于彈性狀態(tài)，保證結構構件完好無損。小震彈性計算采用振型分解反應譜法，按規(guī)范要求考慮抗震等級的內力調整系數(shù)、荷載及材料強度取設計值，風荷載參與組合設計。小震分析結果對比見表2。

表2 小震分析結果對比

由表1和圖4可知，采用框架結構難以滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值要求。采用框架結構+屈曲約束支撐結構體系，整體結構設計指標滿足規(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，減輕結構損傷，結構滿足性能化設計要求。

同時核查結構模型，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 設防地震作用下結構彈塑性分析

3.1 地震波的選取及分析模型驗證

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

使用PERFORM-3D軟件[4]對本工程進行彈塑性分析；該軟件是一個致力于研究抗震設計的非線性軟件工具，通過使用以變形為基礎或者以強度為基礎的極限狀態(tài)來對復雜結構進行非線性分析。

為了校核所建立PERFORM-3D模型的準確性，將PERFORM-3D和SATWE模型計算得到的質量、周期進行對比，兩個模型吻合度高，如表3所示。

表3 原結構模型周期及質量對比

同時地下室剛度滿足上部結構的嵌固要求，故中震及大震分析考慮到模型計算效率均僅取上部結構進行分析。

3.2 設防地震響應分析

對消能減震結構選取AW1,CHI 和WHI三條時程波進行設防地震作用下的彈塑性動力時程分析，并提取其層間位移角(見表4)。

表4 設防地震結構層間位移角

AW1，CHI 和WHI時程波設防地震作用下，結構減震后的X,Y向層間位移角如圖6所示。

由上述AW1，CHI 和WHI三條時程波在設防地震作用下X,Y向的計算結果可知，消能減震結構的層間位移角都不大于1/190，這充分說明結構采用屈曲約束支撐進行消能減震設計是切實有效的。

以ART時程波為例，對減震結構進行設防地震作用下的彈塑性屈服機制分析。圖7,圖8分別為ART時程波作用下整體結構X,Y向累計塑性發(fā)展示意圖。由圖7，圖8可知，僅少量梁進入LS狀態(tài)，結構滿足“強柱弱梁”的塑性發(fā)展機制。在設防地震作用下，屈曲約束支撐屈服進入耗能狀態(tài)，部分框架梁屈服并進入LS狀態(tài)，滿足“中震可修”要求。

考察屈曲約束支撐在設防地震作用下的出力最大為2 084 kN，對應的位移為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，說明屈曲約束支撐在中震下進入屈服耗能階段。

4 罕遇地震作用下結構彈塑性分析

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

4.1 罕遇地震作用下結構位移角結果

罕遇地震作用下結構層間位移角見表5。

表5 罕遇地震結構層間位移角

AW1，CHI 和WHI時程波罕遇地震作用下，結構減震后的X，Y向層間位移角如圖9所示。

由上述AW1，CHI 和WHI三條時程波在罕遇地震作用下X，Y向的計算結果可知，減震結構的層間位移角都滿足文獻[5]及規(guī)范[6]1/50的限值要求，這充分說明結構采用屈曲約束支撐進行消能減震設計是切實有效的。

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，對應的位移為62.6 mm。GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范第12.3.5條規(guī)定，消能器的極限位移應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 消能減震結構的彈塑性發(fā)展

以WHI時程波為例，對減震結構進行罕遇地震作用下的彈塑性屈服機制分析。其中圖11，圖12分別為WHI時程波作用下整體結構X，Y向隨時間步長增加的彈塑性發(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，設置BRB的消能減震結構在罕遇地震作用下基本呈現(xiàn)“強柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機制。且與BRB相連的子框架均未達到極限承載力，沒有出現(xiàn)破壞，滿足《建筑消能減震技術規(guī)程》[7]中的要求，這表明主體結構在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善，從而使得整體結構具有良好的抗震性能，更有利于實現(xiàn)“大震不倒”的設防目標。

在罕遇地震作用下，結構的塑性鉸首先出現(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，滿足結構“BRB-梁-柱”的屈服機制；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，大部分屈曲約束支撐進入屈服耗能狀態(tài)，說明大震下屈曲約束支撐進入塑性耗能狀態(tài)，減小結構地震反應；與BRB相連的子框架均未達到極限承載力，滿足“大震不屈服”的性能目標。

5 結論

本工程采用框架結構+屈曲約束支撐結構體系，通過分析減震結構在小震以及中、大震作用下結構的性能狀態(tài)，得出如下結論：

1)本工程按8度(0.2g)進行抗震設防，采用框架結構+屈曲約束支撐結構體系，BRB在小震下為結構提供附加剛度，中、大震下提供附加阻尼，使結構具有較好的抗震性能，計算結果滿足規(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、扭轉位移比、周期比等主要指標均滿足規(guī)范要求。

3)中震下選用三條地震波進行彈塑性時程分析，滿足“中震可修”的設防目標要求。

4)大震下選用三條地震波進行彈塑性時程分析，結構層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值，滿足“大震不倒”的設防目標要求。

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