屈曲約束支撐在某超高層中的應(yīng)用

呂超力

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門 361000)

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程為一棟商住綜合辦公樓，主塔樓三十一層，裙房十四層，第三層層高10m，其余樓層為5m，結(jié)構(gòu)總高度為160m。設(shè)兩層地下室，層高分別為5.75m和3.8m。主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層見(圖1)，建筑效果圖見(圖2)。

1.2 地震作用

本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。地震動(dòng)參數(shù)取值見(表1)。

表1 地震動(dòng)參數(shù)取值

1.3 結(jié)構(gòu)體系布置

圖1 主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層

本工程為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。主塔樓平面尺寸約為36m×35m，主塔樓核心筒平面尺寸為15m×14.6m，裙樓平面尺寸約為80m×49m。結(jié)構(gòu)計(jì)算取地下室頂板為嵌固端，嵌固端以上結(jié)構(gòu)計(jì)算高度為160m，為B級(jí)高度的超限高層[2]。主塔樓高寬比為4.6，核心筒高寬比為11。結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級(jí):框架與筒體均為一級(jí)，底部加強(qiáng)區(qū)以及體型收進(jìn)部位上、下各2層豎向構(gòu)件抗震等級(jí)為特一級(jí)[2]。

主塔樓核心筒主要墻厚800～350，底部加強(qiáng)區(qū)核心筒主要約束邊緣構(gòu)件內(nèi)均設(shè)置型鋼。主塔樓外框柱13層以下為型鋼混凝土柱，截面尺寸為1300×1300，型鋼面積取截面積的5%。13層以上為鋼筋混凝土柱，截面尺寸1300×1300～900×900。主塔樓核心筒連梁高 900，外框架與核心筒連接主梁截面為400×1200，邊框梁截面為500×1200。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖見(圖3)。

圖2 建筑效果圖

圖3 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖

2 屈曲約束支撐簡介及布置

2.1 屈曲約束支撐的優(yōu)越性及在本工程中的應(yīng)用

屈曲約束支撐是在受拉與受壓情況下都能達(dá)到承載全截面屈服的軸向受力構(gòu)件[3]，其最大優(yōu)點(diǎn)是自身的承載力與剛度的分離。普通支撐因需要考慮其自身的穩(wěn)定性，使截面和支撐剛度過大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度過大，這就間接地造成地震力過大，形成了不可避免的惡性循環(huán)。選用防屈曲支撐，即可避免此類現(xiàn)象，在不增加結(jié)構(gòu)剛度的情況下滿足結(jié)構(gòu)對(duì)于承載力的要求[4]。

根據(jù)屈曲約束支撐的特點(diǎn)，其在本工程中能得到很好的應(yīng)用:

1)結(jié)構(gòu)核心筒高寬比過大，抗側(cè)剛度難以滿足要求，采用加大結(jié)構(gòu)斷面、增加配筋來抵抗地震，結(jié)果是斷面越大，剛度越大，地震作用也越大，經(jīng)濟(jì)性欠佳。在小震下，屈曲約束支撐具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，可為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度以滿足使用要求。

2)本工程屬于7度設(shè)防區(qū)，地震作用大，地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用，且本工程豎向剛度突變，同時(shí)平面形狀不規(guī)則，在地震下有較為不利的影響。屈曲約束支撐在大震作用下則可起到結(jié)構(gòu)消能器的作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，且其合理布置可減小結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。

2.2 支撐布置方案

本工程屈曲約束支撐平面布置在外框柱與內(nèi)核心筒之間，增強(qiáng)外框柱與核心筒的協(xié)同作用。豎向布置位于結(jié)構(gòu)層間位移角較大的樓層，以充分發(fā)揮支撐小震下提供剛度，大震下耗能的作用。支撐形式為V字型。

屈曲約束支撐主要集中設(shè)置于主塔樓16～26層處，裙樓頂部三層局部為單榀框架，該處也設(shè)置了少量支撐，以增加結(jié)構(gòu)冗余度。本文主要介紹位于主塔樓范圍內(nèi)的支撐，主要支撐豎向布置如(圖4)所示，平面布置如(圖5)所示。

支撐布置總數(shù)量及參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(表2)。

圖4 支撐布置剖面圖

表2 主要支撐布置情況及參數(shù)一覽表

圖5 支撐布置平面圖

3 分析計(jì)算結(jié)果

本工程使用SATWE及Gen進(jìn)行結(jié)構(gòu)在不同地震烈度下的整體分析。計(jì)算模型為整體的三維有限元模型。

3.1 小震彈性分析計(jì)算結(jié)果

小震使用PKPM系列軟件SATWE進(jìn)行振興分解反應(yīng)譜分析。布置支撐的樓層及豎向收進(jìn)處采用彈性樓板，其余樓層均采用剛性板假定。小震下，未設(shè)支撐原方案和屈曲約束支撐方案的主要結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比詳見(表3)。

根據(jù)(表3)結(jié)果對(duì)比可以得知，在多遇地震下，Y方向最大層間位移角有較大變化，采用屈曲約束支撐減震結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)方案層間位移減小了14%，滿足規(guī)范層間位移角的限值要求1/750。主要周期及基底剪力與原結(jié)構(gòu)相比變化不大，差值在5%以內(nèi)?？梢娫诒竟こ讨校s束支撐為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)移剛度的同時(shí)，可保證原結(jié)構(gòu)的地震作用基本不變。

(圖6、圖7)給出了帶BRB支撐減震結(jié)構(gòu)模型和原結(jié)構(gòu)計(jì)算模型小震下各層層間位移角對(duì)比。結(jié)果表明，在小震作用下兩個(gè)方向的最大層間位移角均小于1/750，滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求。Y方向在加設(shè)屈曲約束支撐后的樓層，其層間位移角較原結(jié)構(gòu)均有10%以上的降低效果，且15～16層位置的豎向剛度突變明顯減小，上部塔樓層間位移變得更均勻。

表3 屈曲約束支撐方案主要計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

圖6 X向?qū)娱g位移角對(duì)比

圖7 Y向?qū)娱g位移角對(duì)比

3.2 大震PUSHOVER分析

大震采用Midas系列軟件 Gen進(jìn)行PUSHOVER分析。各構(gòu)件的塑性鉸設(shè)置為:框架梁兩端設(shè)置缺省的自動(dòng)彎曲M3鉸本構(gòu)模型;柱頂和柱底設(shè)置缺省的PMM鉸本構(gòu)模型;剪力墻設(shè)置缺省的自動(dòng)墻鉸本構(gòu)模型;支撐根據(jù)屈曲約束支撐特性自定義支撐P鉸本構(gòu)模型。支撐塑性鉸具體設(shè)置參數(shù)詳見(圖8)。

3.2.1 大震下抗倒塌驗(yàn)算

經(jīng)過計(jì)算，在罕遇地震作用下，X向最大層間位移在第三層，為22.16mm，層間位移角1/289。Y方向最大層間位移在第三層，為27.16mm，層間位移角1/235。大震下層間位移角最大值均位于結(jié)構(gòu)10m層高的第三層，該層為結(jié)構(gòu)薄弱層。

3.2.2 大震作用下塑性鉸發(fā)展情況

圖8 屈曲約束支撐塑性鉸設(shè)置參數(shù)

在X方向、Y方向結(jié)構(gòu)模型上的靜力彈塑性分析過程中，結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在屈曲約束支撐上，即屈曲約束支撐已開始進(jìn)入耗能狀態(tài)。隨后底部剪力墻和部分梁端出現(xiàn)塑性鉸。最后僅少量框架柱上才出現(xiàn)塑性鉸。從進(jìn)入屈服狀態(tài)的構(gòu)件來看，大部分屈曲約束支撐在性能點(diǎn)位置都進(jìn)入耗能階段，而只有少部分梁柱構(gòu)件及底部剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，這說明屈曲約束支撐是結(jié)構(gòu)耗能的一種主要構(gòu)件，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)柱弱梁的要求，框架柱作為抗震的第二道防線，基本不出現(xiàn)塑性鉸，形成合理的整體型結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制。結(jié)構(gòu)位于性能點(diǎn)時(shí)塑性鉸圖詳見(圖9)。值得注意的是底部加強(qiáng)部位以及裙房剪力墻破壞較為嚴(yán)重。

圖9 帶支撐減震結(jié)構(gòu)大震性能點(diǎn)桿端塑性鉸圖

選取Y向屈曲約束支撐在pushy工況的軸力-變形關(guān)系，如(圖10)所示。從圖中可以看出，屈曲約束支撐按設(shè)計(jì)的屈服荷載和屈服位移，在結(jié)構(gòu)較小的變形情況下即進(jìn)入了屈服，成為結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件。

圖10 16層Y向BRB(250T)軸力－變形曲線(kN－mm)

4 抗震性能總體評(píng)價(jià)

1)通過小震計(jì)算，在本工程中，屈曲約束支撐可提高原結(jié)構(gòu)的剛度，且結(jié)構(gòu)的地震作用基本不變。相較傳統(tǒng)增大構(gòu)件截面的方法提高結(jié)構(gòu)剛度具有更好的經(jīng)濟(jì)性，且其布置靈活，可以減小結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。

2)在罕遇地震作用下，對(duì)布置有屈曲約束支撐的模型，結(jié)構(gòu)的整體變形不超過規(guī)范限值，屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)較小的變形情況下即進(jìn)入了屈服，成為結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角超過了抗規(guī)中性能3的標(biāo)準(zhǔn)。

3)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是剛度較弱的第三層，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的性能設(shè)計(jì)。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2010，高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]郭彥林，劉建彬，蔡益燕，等.結(jié)構(gòu)的耗能減震與防屈曲支撐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，8:18-23.

[4]周云.防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.