屈曲約束支撐在某醫(yī)療建筑中的應(yīng)用分析

張 飛 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

自20世紀(jì)90年代起，美國(guó)及日本首先對(duì)屈曲約束支撐進(jìn)行研究，并在工程中大量使用。汶川地震后，屈曲約束支撐在國(guó)內(nèi)的使用迅速增加，在重點(diǎn)設(shè)防類建筑、高層建筑以及加固改造工程等均得到了廣泛的應(yīng)用[1、2]。屈曲約束支撐，一般有三個(gè)組成部分：內(nèi)部芯材、中間無(wú)粘結(jié)材料以及外圍套筒[1、2]。屈曲約束支撐通過(guò)內(nèi)部芯材在地震作用引起的軸向力下產(chǎn)生的塑性變形來(lái)耗散地震能量。為避免內(nèi)部芯材受壓屈曲，保證芯材受壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)全截面屈服，在芯材外圍設(shè)置無(wú)粘結(jié)材料和外套筒[1、2]。中間無(wú)粘結(jié)材料達(dá)到設(shè)置間隙的作用，降低芯材和外圍套筒的摩擦力，保證了芯材在受拉及受壓下均勻受力[3]。

1 工程概況

本工程為一四層門診醫(yī)技樓，局部一層地下室，平面尺寸121.2m×71.1m。首層高4.5m，二～四層層高均為4.2m，建筑總高度為17.4m。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，多遇地震下水平影響系數(shù)最大值為0.12[4]。場(chǎng)地類別III類，特征周期為0.45s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）[5]第 3.0.2、3.0.3及4.0.3條，本工程作為醫(yī)療建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求（即8度）加強(qiáng)其抗震措施。

另根據(jù)本工程地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，要求多遇地震下水平影響系數(shù)為0.19（相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度8.2度），較原《抗震規(guī)范》規(guī)定的0.12提高約58.3%，地震作用大幅度增加。

1.1 結(jié)構(gòu)方案比較

在方案設(shè)計(jì)階段最初考慮采用框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)試算，柱截面需做到1m×1m，梁截面做到0.4m×0.9m，梁、柱配筋率偏大；另胖柱肥梁，對(duì)建筑功能使用影響較大。采用“硬抗”的方式不經(jīng)濟(jì)亦不太合理。

第二種方案采用框架-剪力墻體系，但門診醫(yī)技樓各樓層建筑功能復(fù)雜多變，剪力墻的布置很難在堅(jiān)向方向保持連續(xù)，不宜找到適合的位置。在僅滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)的情況下，有較多的剪力墻影響建筑外立面，在協(xié)商之后，未采用此方案。

經(jīng)查大量文獻(xiàn)，帶屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的抗震性能在工程中得到了廣泛應(yīng)用。在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量的屈曲約束支撐能夠有效提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度[6、7]，另屈曲約束支撐的布置相對(duì)自由，可根據(jù)建筑功能及結(jié)構(gòu)剛度、承載力需求調(diào)整支撐的數(shù)量及位置。經(jīng)對(duì)比和綜合考慮后，結(jié)構(gòu)體系選用設(shè)置屈曲約束支撐的混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2 計(jì)算分析

2.1 支撐形式與布置

屈曲約束支撐的主要形式有3種：人字形、V形和單斜撐，支撐布置優(yōu)先次序依次為人字形、V形和單斜撐，支撐與柱的夾角宜在 35°～55°[6、8]。在填充墻位置可優(yōu)先選用人字形和V形，在遇門洞時(shí)可采用單斜撐，可根據(jù)建筑功能靈活布置。屈曲約束支撐布置宜對(duì)稱均勻，并在兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置[6、8]。為提高屈曲約束支撐使用效率，屈曲約束支撐應(yīng)優(yōu)先布置在層間位移（地震作用下）較大的樓層，以及層間位移（地震作用下）較大的豎向構(gòu)件處[6、8]，從下部樓層至上部樓層屈曲約束支撐的數(shù)量可逐漸減少，使結(jié)構(gòu)整體剛度達(dá)到適中的程度。

本工程屈曲約束支撐型號(hào)共計(jì)6種，數(shù)量共計(jì)132根，內(nèi)部芯材材質(zhì)為Q235B，屈服承載力范圍為1500kN～4600kN。圖1、圖2分別為一層屈曲約束支撐平面布置圖和3-1軸屈曲約束支撐立面布置圖。

圖1 一層屈曲約束支撐平面布置圖

圖2 3-1層屈曲約束支撐立面布置圖

2.2 小震彈性分析

本工程采用SATWE程序進(jìn)行小震彈性分析，多遇地震下水平影響系數(shù)為0.19。首先預(yù)估屈曲約束支撐內(nèi)部芯材的截面面積，在計(jì)算模型中支撐按矩管截面定義并按斜桿單元輸入。斜桿兩端與柱或梁連接節(jié)點(diǎn)處定義為鉸接。計(jì)算完成后檢查結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)以及梁、柱、斜桿等構(gòu)件承載力是否滿足要求。

對(duì)于屈曲約束支撐，因屈曲約束支撐構(gòu)件本身滿足穩(wěn)定性的要求，而模型中支撐截面僅按內(nèi)部芯材截面輸入，支撐構(gòu)件只需滿足強(qiáng)度要求即可。支撐構(gòu)件應(yīng)力比一般控制在0.9～1.0左右。對(duì)于強(qiáng)度不滿足的支撐構(gòu)件可通過(guò)調(diào)整截面尺寸或支撐位置。經(jīng)不斷計(jì)算調(diào)整，最終模型確定如下：框架柱截面邊長(zhǎng)為0.7m～0.8m，主梁截面0.4x0.8m，屈曲約束支撐132根。

屈曲約束支撐框架與普通框架整體指標(biāo)對(duì)比 表1

表1為相同截面的混凝土框架結(jié)構(gòu)在帶屈曲約束支撐和不帶屈曲約束支撐兩種結(jié)構(gòu)體系下層間位移、側(cè)向剛度及周期計(jì)算指標(biāo)對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及抗扭剛度有增加較大，結(jié)構(gòu)整體振型狀態(tài)也更加規(guī)則。

2.3 大震彈塑性分析

采用YJK-EP軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，梁、柱和屈曲約束支撐單元模型采用纖維模型模擬。選用Chi-Chi，Taiwan-06-No-3276、TAF-2 Taft 和TH3TG045三條時(shí)程波進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，地震波峰值加速度取310cm/s2。罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角如圖3所示。

圖 罕遇地震下X、Y向?qū)娱g位移角曲線

由圖3可得：①在3條地震波作用下，結(jié)構(gòu)大震彈塑性層間位移角分布趨勢(shì)基本一致，最大層間位移角均出現(xiàn)在2或3層；②3條不同地震波作用下結(jié)構(gòu)在的彈塑性層間位移角最大值小于1/100，均滿足規(guī)范的1/50的要求，說(shuō)明本工程采用屈曲約束支撐進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)具有良好的效果。

3 結(jié)論

對(duì)于高烈度設(shè)防地區(qū)的多層醫(yī)療建筑，因抗側(cè)剛度小、結(jié)構(gòu)冗余度低，框架結(jié)構(gòu)體系適用性降低；而且醫(yī)療建筑功能復(fù)雜多變，剪力墻的布置很難在堅(jiān)向方向保持連續(xù)，框架-剪力墻體系亦不太適用。

對(duì)于屈曲約束支撐混凝土框架，屈曲約束支撐作為結(jié)構(gòu)的“保險(xiǎn)絲”，在小震下增加結(jié)構(gòu)剛度，大震作用下通過(guò)支撐芯材的屈服消耗地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，可有效提高結(jié)構(gòu)的剛度、延性和抗震性能。