裝配式屈曲約束支撐在北京某高層建筑中的應(yīng)用研究

胡挺益，王振華

（1.華商國際工程有限公司，北京 100069；2.北京堡瑞思減震科技有限公司，北京 100070）

地震具有突發(fā)性、頻率高以及對(duì)社會(huì)危害大等特點(diǎn)，是一種破壞力極大的自然災(zāi)害。強(qiáng)震下純框架體系抗側(cè)剛度較小，抗震能力不足，通常提高結(jié)構(gòu)的抗震措施是通過單一的增加構(gòu)件截面尺寸，這樣不僅浪費(fèi)資源，且工程應(yīng)用性有限，故隨之提出了支撐框架體系。余峰（2010）進(jìn)行了純鋼框架、支撐框架結(jié)構(gòu)以及防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜分析，研究表明純鋼框架的抗側(cè)剛度最小，水平位移最大。武娜等（2013）進(jìn)行了防屈曲支撐加固既有框架結(jié)構(gòu)，通過與空框架對(duì)比分析表明，附加防屈曲支撐顯著提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，能提高既有框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。郭彥林等（2013）對(duì)純鋼框架、支撐鋼框架以及剪力墻鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析與動(dòng)力時(shí)程分析，研究表明，強(qiáng)震作用下，純鋼框架的水平位移最大，支撐框架與剪力墻框架結(jié)構(gòu)的水平位移相對(duì)較小，抗側(cè)剛度明顯提高?？紫樾鄣龋?010）進(jìn)行了屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)和普通支撐框架結(jié)構(gòu)的理論研究與子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析，研究表明，相比普通支撐，屈曲約束支撐增加結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力更加明顯。裝配式屈曲約束支撐作為一種自主研發(fā)的新型耗能支撐，其具有降低造價(jià)成本、縮短工期等特點(diǎn)，且在框架結(jié)構(gòu)的抗震加固改造中具有廣闊的應(yīng)用前景。故本研究應(yīng)用有限元軟件SAP2000對(duì)裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)與普通支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，對(duì)比了兩種建筑結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下的層間位移角和基底剪力的差異，以期為裝配式屈曲約束支撐的實(shí)際推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

本研究項(xiàng)目位于北京市通州區(qū)，為北京市城市副中心的一組辦公建筑，其總面積為49 840 m2，總高度56.5 m。地上建筑面積為36 285 m2，地上建筑設(shè)有辦公、會(huì)議、機(jī)房、指揮大廳和職工宿舍等；地下建筑面積為13 555 m2，地下建筑設(shè)有車庫、機(jī)房、廚房、食堂和汽車庫等。項(xiàng)目的地上通過抗震縫分為三個(gè)結(jié)構(gòu)單元：西配樓和南配樓層數(shù)為五層，其首層層高5.4 m，二層及以上層高為4.0 m；主樓層數(shù)為十四層，其首層層高為4.5 m，二層及以上層高為4.0 m。項(xiàng)目基礎(chǔ)面以上采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)，支撐采用裝配式屈曲約束支撐；±0.000 m以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)。

2 消能減震方案設(shè)計(jì)

消能減震就是在結(jié)構(gòu)的薄弱部位設(shè)置并安裝耗能減震裝置，在強(qiáng)震作用下，通過耗能裝置的軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)等進(jìn)行彈塑性滯回耗能（景銘等，2017），吸收并耗散地震輸入體系的能量，以降低主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。消能減震裝置繁多，大致可分為速度相關(guān)型與位移相關(guān)型阻尼器（廖述江等，2016），速度相關(guān)型的以粘滯阻尼器為代表，其通過速度相關(guān)作用給體系提供阻尼，但存在反應(yīng)較慢，且容易出現(xiàn)漏油等問題。位移相關(guān)型的以金屬阻尼器為代表，通過金屬的剪切或屈服，達(dá)到耗散地震能量的作用。其中，屈曲約束支撐作為一種新型耗能器，解決了普通支撐受壓屈曲現(xiàn)象，是目前被公認(rèn)為性能最穩(wěn)定的耗能減震裝置之一。

2.1 裝配式屈曲約束支撐的優(yōu)勢(shì)

屈曲約束支撐主要由芯材、外圍約束構(gòu)件與無粘結(jié)材料組成（謝偉等，2015）。然而，傳統(tǒng)型屈曲約束支撐的外圍約束構(gòu)件為普通混凝土，混凝土的澆筑養(yǎng)護(hù)大大提高了支撐制作時(shí)間。該支撐實(shí)現(xiàn)了對(duì)外圍約束構(gòu)件的裝配，即混凝土先灌注在弓形槽鋼內(nèi)養(yǎng)護(hù)完成，然后將其與芯材組裝，并加插墊板，最后兩側(cè)蓋板封焊外圍鋼管，完成支撐制作。該裝配式屈曲約束支撐實(shí)現(xiàn)了工廠預(yù)制化，具有降低造價(jià)成本、縮短工期等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也大大降低了傳統(tǒng)型屈曲約束支撐漲模風(fēng)險(xiǎn)和施工難度。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010，對(duì)本工程提供的裝配式屈曲約束支撐進(jìn)行隨機(jī)抽檢檢測（陳勇軍等，2018），檢測地點(diǎn)為清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，檢測設(shè)備為微機(jī)控制電液伺服液壓試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)照片如圖1所示，主要檢測參數(shù)包括裝配式屈曲約束支撐的屈服荷載與荷載-位移曲線（趙俊賢等，2019），抽檢的裝配式屈曲約束支撐全部合格，檢測結(jié)果如表1與圖2所示，由表可知：裝配式屈曲約束支撐屈服荷載的設(shè)計(jì)值與實(shí)測值基本保持一致，其中支撐型號(hào)BRB-7荷載-位移曲線飽滿圓潤，體現(xiàn)出其良好的耗能能力。

表1 裝配式屈曲約束支撐檢測結(jié)果

圖1 裝配式屈曲約束支撐構(gòu)造現(xiàn)場試驗(yàn)照片

圖2 型號(hào)BRB-7荷載-位移曲線

2.2 裝配式屈曲約束支撐的力學(xué)模型

運(yùn)用有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，采用Bouc-Wen連接單元用以模擬裝配式屈曲約束支撐，Bouc-Wen為一種改進(jìn)的簡化模型，是用滯變微分方程來描述光滑滯變恢復(fù)力的特點(diǎn)，其模型的恢復(fù)力公式為：

式中：d（t）——屈曲約束支撐軸向變形；v——速度；z（t）——Bouc-Wen光滑滯回位移，取決于構(gòu)件本身結(jié)構(gòu)特性以及材料特性；α，β，A，n——描述滯回環(huán)形狀的參數(shù)。

2.3 裝配式屈曲約束支撐的布置

裝配式屈曲約束支撐宜布置于結(jié)構(gòu)的薄弱部位，從而最大限度地發(fā)揮支撐耗能作用（杜永山等，2019）。常見的支撐布置形式有：單斜向、菱形、X字形、K字形、人字形以及倒人字形等。楊艷敏等（2019）指出，單斜向與人字形為目前工程應(yīng)用中最常見的布置方式。裝配式屈曲約束支撐性能參數(shù)如表2所示，依據(jù)屈服力的不同，將支撐劃分為11種編號(hào)，沿底層向頂層連續(xù)布置，并且支撐的屈服力沿樓層增加而減小，每層布置14根，共布置15層，平面布置如圖3所示，圖中以矩形框表示支撐布置位置，其中中間跨支撐布置形式為單斜向，其余跨布置為人字形。支撐立面布置模型如圖4所示，對(duì)比模型為普通鋼支撐結(jié)構(gòu)，普通鋼支撐的截面為箱形，其彈性剛度與裝配式屈曲約束支撐的保持一致，且各層鋼支撐布置形式與裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)保持一致。普通鋼支撐結(jié)構(gòu)模型編號(hào)為CF-1，裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)模型編號(hào)為CFBRB-1。

圖3 裝配式屈曲約束支撐布置

圖4 支撐立面布置模型

表2 裝配式屈曲約束支撐性能參數(shù)

3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與地震波選擇

本項(xiàng)目地處北京市通州區(qū)，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》）（2016版），抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類，特征周期：多遇地震的周期在0.55 s以內(nèi)，罕遇地震（8度地震）的周期在0.60 s以上。

《抗規(guī)》5.1.2條規(guī)定：采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%（李建亮等，2011）。為此，應(yīng)用軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)減震分析時(shí)，采用第五代區(qū)劃圖參數(shù)，選取3組地震波，選取為1條人工波（ArtWave-RH1TG055波）與2條天然波（TH1TG065波與TH4TG045波），并進(jìn)行彈性時(shí)程分析，分析表明每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，即所選地震波滿足規(guī)范要求，3條地震波曲線如圖5所示。

圖5 地震波曲線

4 結(jié)果分析

4.1 周期對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)的周期對(duì)比如表3所示，可知，裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的自振周期小于普通鋼支撐結(jié)構(gòu)，說明裝配式屈曲約束支撐提高結(jié)構(gòu)剛度能力略高于普通鋼支撐結(jié)構(gòu)。

表3 兩種結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比

4.2 層間位移角對(duì)比

在8度地震X向地震波加載作用下，普通鋼支撐結(jié)構(gòu)與裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角如圖6所示，由圖6可看出，3組地震波下，結(jié)構(gòu)CF-1的最大層間位移角為1/72，結(jié)構(gòu)CFBRB-1的最大層間位移角為1/86，均小于規(guī)范限值1/50。結(jié)構(gòu)CFBRB-1的最大層間位移角均小于普通支撐結(jié)構(gòu)CF-1，樓層為6～15層時(shí)，層間位移角差值更大，最大相差分別為19.3%、14.1%與9.1%，說明頂層布置裝配式屈曲約束抑制層間位移角大小的效果明顯優(yōu)于普通鋼支撐。

圖6 X向?qū)娱g位移角

在8度地震Y向地震波加載作用下，普通鋼支撐結(jié)構(gòu)與裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角如圖7所示，由圖7可看出，兩種結(jié)構(gòu)底層的層間位移角大小基本保持一致，當(dāng)樓層較高時(shí)，裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的層間位移角更小，比普通鋼支撐結(jié)構(gòu)減小了分別為11.7%，13.2%與16.5%，說明布置裝配式屈曲約束支撐能明顯提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，并且兩種結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/50。

圖7 Y向?qū)娱g位移角

4.3 基底剪力對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)樓層的X、Y向剪力對(duì)比如圖8所示。由圖8可看出，兩種結(jié)構(gòu)在X向底層剪力的差值大于Y向，原因在于裝配式屈曲約束支撐耗散部分地震輸入能量，減小主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，從而減小層間剪力，在8度地震作用下，主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)降低不明顯，主要由于普通鋼支撐受壓易屈曲失穩(wěn)退出工作。

圖8 樓層最大剪力

8度地震作用下的基底最大剪力如表4所示，可知，結(jié)構(gòu)CF-1的最大基底剪力均大于結(jié)構(gòu)CFBRB-1，說明了裝配式屈曲約束支撐能明顯降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在X向的3組地震波加載作用下，結(jié)構(gòu)CF-1的最大基底剪力比結(jié)構(gòu)CFBRB-1分別提高了22.1%、27.7%與16.6%；對(duì)于Y向的3組地震波加載作用下，結(jié)構(gòu)CF-1的最大基底剪力比結(jié)構(gòu)CFBRB-1提高的較少，主要是由于X、Y方向的支撐布置方式不同引起。

表4 8度地震作用下的基底最大剪力（kN）

4.4 連接單元滯回耗能

裝配式屈曲約束支撐在（Wen連接單元）結(jié)構(gòu)中的耗能情況如圖9所示，可以看出，底層的裝配式屈曲約束支撐滯回環(huán)面積最大，隨著樓層的增加，滯回環(huán)面積逐漸減小。支撐布置時(shí)應(yīng)根據(jù)樓層位置，選取合適參數(shù)的支撐，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與降低成本的目的；鑒于此，從上述支撐參數(shù)布置情況可知，本工程首層的裝配式屈曲約束支撐選用設(shè)計(jì)屈服承載力為7 500 kN，中間層設(shè)計(jì)屈服承載力為3 000 kN，頂層設(shè)計(jì)屈服承載力為1 500 kN。裝配式屈曲約束支撐安裝完成如圖10所示。

圖9 X向Wen連接單元滯回耗能曲線

圖10 裝配式屈曲約束支撐安裝完成

5 結(jié)論

應(yīng)用軟件SAP2000建立裝配式屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)模型與普通鋼支撐結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，通過參數(shù)對(duì)比得出幾點(diǎn)結(jié)論：1）抽檢的裝配式屈曲約束支撐全部合格，實(shí)測屈服承載力不低于設(shè)計(jì)承載力，并且其滯回曲線飽滿圓潤，此為裝配式屈曲約束支撐在工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2）在8度地震波X、Y方向的加載作用下，裝配式屈曲約束支撐降低主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)優(yōu)于普通鋼支撐，并且其結(jié)構(gòu)的最大基底剪力小于普通鋼支撐結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出裝配式屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)中起到“保險(xiǎn)絲”的作用。3）隨著樓層增加，裝配式屈曲約束支撐耗散能量降低，因此，建議應(yīng)根據(jù)不同樓層選取合適的屈曲約束支撐參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)也降低造價(jià)。