帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)設計

王建華，于巖磊

(中國建筑西北設計研究院有限公司，西安 710018)

0 引言

目前，我國抗震規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗震設防三個水準目標：“小震不壞、中震可修、大震不倒”，是在1976 年唐山地震后提出并在89 抗震規(guī)范予以明確的規(guī)定，也是確保結(jié)構(gòu)安全最基本的抗震性能化設計目標。從以往震害來看，地震過后，主體結(jié)構(gòu)雖然沒有發(fā)生嚴重破壞，但室內(nèi)一些貴重設備儀器卻遭到破壞，同樣造成了很大的經(jīng)濟損失。例如大型醫(yī)院的醫(yī)技樓等建筑，地震發(fā)生時要求其使用功能不能間斷，此時，按上述基本設防水準目標將無法滿足該類建筑更高層次的抗震性能需求。尤其對于高抗震設防烈度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，如何提高其抗震性能，同時又不會大幅增加工程造價，是一個工程界亟待解決的問題。

屈曲約束支撐作為一種抗震耗能構(gòu)件[1]，在日本、美國等國家應用已較為普遍[2]。多遇地震作用下，其處于彈性工作狀態(tài)，與普通支撐相似為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度；罕遇地震作用下，進入塑性工作狀態(tài)，通過支撐芯材軸向伸縮變形來耗散地震輸入能量，起到一定的“保險絲”作用。不僅可以保護主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不受或少受損壞，同時也增大了結(jié)構(gòu)阻尼，有效減少結(jié)構(gòu)位移，實現(xiàn)“小震經(jīng)濟、中震不壞、大震易修、余震不倒”抗震設防目標[3]。以往屈曲約束支撐在已有工程中多應用于鋼結(jié)構(gòu)中，在新建混凝土結(jié)構(gòu)中應用實例較少。本文通過某實際工程，介紹了屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中諸多設計注意事項，可為今后相似工程的設計提供參考。

1 工程概況

根據(jù)文獻[4]，醫(yī)技樓屬乙類建筑，該建筑位于八度抗震設防區(qū)，若采用框架混凝土結(jié)構(gòu)，其抗震設防等級需提至一級[5]。按文獻[5]要求，通過試算發(fā)現(xiàn)柱子截面尺寸需要0.8～1 m 左右，不經(jīng)濟也不合理。同時，A1 區(qū)內(nèi)建筑設有56.7 m×32.4 m 通高大空間要求，已經(jīng)遠超過規(guī)范允許的剪力墻最小間距要求，因此框架剪力墻方案也行不通。同時，考慮到醫(yī)技樓各樓層使用功能的復雜多變性，即便采用框架剪力墻方案，剪力墻在豎向方向很難保證其連續(xù)性。相對于框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻布置的諸多限制，同樣能有效提供抗側(cè)剛度的鋼支撐，在布置位置的選擇上可靈活多變，且屈曲約束支撐抗震耗能性能優(yōu)越。因此，結(jié)構(gòu)型式最終選用帶屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)。

按照功能類型不同，屈曲約束支撐分為耗能型、承載型和阻尼器3 種類型。當屈曲約束支撐既要用于提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及承載力，又要用作結(jié)構(gòu)的耗能構(gòu)件，應選用耗能型屈曲約束支撐。當支撐僅用于提高結(jié)構(gòu)的剛度及承載力，則可選用承載型屈曲約束支撐。屈曲約束支撐型阻尼器的設計方法同位移型阻尼器。

圖1 某醫(yī)院醫(yī)技住院綜合樓平面分區(qū)圖

本工程支撐型式采用耗能型屈曲約束支撐。耗能型屈曲約束支撐，在小震下處于彈性工作狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供整體剛度，在大震下屈曲，處于彈塑性工作狀態(tài)，吸收地震輸入能量，對結(jié)構(gòu)安全起到保險絲的作用。耗能型支撐鋼芯材材料伸長率≥30%，承載型支撐鋼芯材材料伸長率≥20%(這也是文獻[5]要求的鋼材最小伸長率)，阻尼器型支撐鋼芯材材料伸長率為≥40%。帶屈曲約束支撐的框架結(jié)構(gòu)的整體設計思路是：通過限定底層柱子截面，建模試算后，若彈性位移角、周期比、剛度比等指標不滿足規(guī)范要求，可加設一定數(shù)量的屈曲約束支撐，反復調(diào)試，直至層間位移角等各項指標滿足相應規(guī)范要求。

2 屈曲約束支撐設計方法

2.1 布置原則

屈曲約束支撐應布置在能最大限度地發(fā)揮其耗能作用的部位，同時又要兼顧建筑功能的使用要求，并滿足結(jié)構(gòu)整體受力的需要。屈曲約束支撐布置原則如下：

1)地震作用下結(jié)構(gòu)會產(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)兩個主軸方向分別設置。

3.金融市場競爭力不足，導致弱化了金融服務的功能性。當前，城鄉(xiāng)經(jīng)濟金融市場是一種以農(nóng)村信用社為主，農(nóng)業(yè)銀行、農(nóng)村商業(yè)銀行、農(nóng)村合作銀行、村鎮(zhèn)銀行以及小額貸款公司等并存的格局。因為農(nóng)村信用社長期處于壟斷的“老大”地位，造成我國農(nóng)村金融市場很難建立具有競爭性的金融市場，所以金融產(chǎn)品非多元化，金融服務種類過于單一，大部分情況下仍然只能提供的是傳統(tǒng)的存貸業(yè)務，導致農(nóng)村金融服務的整體效率不高。

可采用的支撐方式有：單斜撐、人字形或V 形支撐，優(yōu)先選用人字形，其次是V 形，再次是單斜撐。采用單斜撐時，宜對稱布置。不應采用K 形或X 形，支撐與柱的夾角宜在35°～55°之間。

以A1 區(qū)為例，本工程屈曲約束支撐的布置見圖2、圖3 所示。

圖2 A1 區(qū)支撐平面布置圖(圖中位置處為支撐)

圖3 ①軸支撐立面布置圖

2.2 計算方法

以SATWE 為例，定義屈曲約束支撐的方法與定義普通鋼支撐方法類似。首先初步擬定鋼支撐芯材的等效截面面積，在斜桿布置中，選用正方形截面型式，按等效截面面積折算參數(shù)輸入，如圖4 所示，將斜桿布置于相應位置處。定義完成后，進入SATWE 前處理中選擇“2. 特殊構(gòu)件補充”，檢查屈曲約束支撐兩端節(jié)點是否為鉸接，如不是，需將支撐兩端定義為鉸接。之后，進入SATWE 前處理的“生成SATWE 數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)檢查”項，檢查完畢后進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋計算，計算完畢后查看結(jié)構(gòu)總體指標、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力是否滿足要求。

圖4 端部支撐布置豎向示意圖

查看計算結(jié)果時，屈曲約束支撐的長細比會出現(xiàn)不滿足要求的狀況[6]，由于屈曲約束支撐構(gòu)件本身滿足穩(wěn)定性的要求，進行整體結(jié)構(gòu)的計算時無需考慮其自身穩(wěn)定問題，僅查看支撐構(gòu)件強度是否滿足承載力要求。

2.3 帶屈曲約束支撐的框架結(jié)構(gòu)設計要點

1)調(diào)試支撐截面大小及數(shù)量：根據(jù)支撐成品的外觀尺寸，在不影響建筑室內(nèi)空間和使用功能要求前提下，初步確定芯材截面的等效截面面積，在Pm 里采用斜桿單元定義鋼支撐構(gòu)件，在平面相應位置布置一定數(shù)量的支撐，進行結(jié)構(gòu)試算，如果層間位移角、周期比、剛度比等指標不滿足規(guī)范要求，可采取改變支撐等效截面面積、增加支撐數(shù)量、改變支撐布置形式或改變平面布置位置等措施進行優(yōu)化設計，直至各項指標滿足規(guī)范要求。

2)整體結(jié)構(gòu)進行多遇地震計算時，結(jié)構(gòu)的阻尼比取值不應大于0.045，或按混凝土框架部分和鋼支撐部分在結(jié)構(gòu)總變形能所占的比例折算為等效阻尼比[3]。

3)多遇地震作用計算時，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用計算時，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角控制在1/80 左右。需要注意的是，在進行罕遇地震作用下的彈塑性計算時，結(jié)構(gòu)阻尼比應取0.05[3]。

4)支撐節(jié)點處框架梁梁寬不宜小于350 mm，以方便安裝節(jié)點板，且上下層的平面位置宜確保支撐中心線在一個豎向平面內(nèi)。當上下層支撐中心線無法保證在一個豎向平面內(nèi)時，中心線的間距不應大于柱寬的1/4。

5)當門窗不能放置于支撐與梁、柱間的間隙時，支撐與門窗要注意避讓，使之與門窗不在一個豎向平面內(nèi)，該層上下梁寬需加大或偏移布置。當支撐斜桿軸線偏離混凝土柱軸線超過柱寬1/4 時，柱計算時應考慮支撐引起的附加彎矩影響。

6)支撐可嵌入填充墻內(nèi)，但墻內(nèi)的構(gòu)造柱、圈梁等混凝土非主體受力構(gòu)件的鋼筋不應直接焊于支撐外層的鋼套管上，可用鋼構(gòu)件做過度連接，同時支撐與墻體間設一定厚度的水泥砂漿保護層。

7)支撐布置于樓梯間時，支撐與梯柱、梯梁應避開，方法有：①將人字支撐改成V 形撐或單斜撐，同時調(diào)整梯柱、梯梁位置，使之與支撐錯開；②加大梁寬，使支撐和梯柱、梯梁布置在兩個豎向平面內(nèi)。

8)布置V 形或人字支撐時，STAWE 計算時將支撐交匯節(jié)點作為框架梁的支座，此時，該跨框架梁配筋宜按一跨框架梁做包絡設計。同時，梁頂縱筋宜全跨拉通，箍筋宜全跨加密，腰筋宜加強。

9)在樓梯間無板梁處布置屈曲約束支撐時，梁側(cè)向宜設置構(gòu)件加強其面外約束，當無法設置側(cè)向約束構(gòu)件時，該處框架梁宜按水平梁考慮并加強面外構(gòu)造措施。

10)罕遇地震作用下，設計中應采取有效措施保證鋼支撐先于框架梁、柱屈服。復核支撐處柱的斜截面抗剪承載力不能小于支撐最大屈曲承載力的水平向分力，措施是加強支撐處梁柱節(jié)點核心區(qū)箍筋的鋼筋等級、肢數(shù)和直徑等。

3 對比分析

以A1 區(qū)為例，擬定純框架結(jié)構(gòu)的底層柱子截面為650 mm×650 mm，建模試算后，彈性位移角不滿足規(guī)范要求，經(jīng)調(diào)試，加設125 根耗能型屈曲約束支撐后，進行多遇地震作用計算，結(jié)構(gòu)的剛度、彈性位移角及周期的變化，見表1。

表1 加設屈曲約束支撐前后結(jié)構(gòu)相關參數(shù)對比

由表1 對比結(jié)果可見，屈曲約束支撐明顯改善了框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度增大了86%，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角大幅降低，由不滿足規(guī)范要求的1/474，減少到1/686。此時，在多遇地震下，屈曲約束支撐處于彈性工作狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度。同時，屈曲約束支撐的加入，使得結(jié)構(gòu)第一階陣型的平動系數(shù)由原結(jié)構(gòu)的0.66 增大至1.00?？梢姡Y(jié)構(gòu)的整體振動形態(tài)得到明顯改善，有效降低了扭轉(zhuǎn)變形對結(jié)構(gòu)的抗震性能的不利影響。

4 結(jié)論

通過某實際工程，介紹了耗能型屈曲約束支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)設計中的應用，得到如下結(jié)論：

1)加設屈曲約束支撐后，框架結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度增大，彈性層間位移角及彈塑性層間位移角限值比框架結(jié)構(gòu)宜適當提高。

2)屈曲約束支撐可降低超長結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形對結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響，改善混凝土純框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有較好的社會和經(jīng)濟效益。

3)對于建筑平面布置要求比較高，限定柱截面，無法滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置的結(jié)構(gòu)，加設屈曲約束支撐是一個解決問題的途徑。

[1]DBJ/CT 105—2011,TJ 屈曲約束支撐應用技術規(guī)程[S].

[2]李國強,郭小康,孫飛飛等.屈曲約束支撐混凝土錨固節(jié)點力學性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2012,3(3)：89-95.

[3]TJ 型屈曲約束支撐設計手冊(第三版).

[4]GB50223—2008,建筑抗震設防分類標準[S].

[5]GB50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[6]GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].