屈曲約束支撐在某會(huì)展中心工程中的應(yīng)用研究*

張建銀，甄 偉，孫碩輝，潘 鵬

(1 中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司， 福州 350001；2 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045；3 北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050；4 清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084；5 清華大學(xué)城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084)

1 工程概況

某會(huì)展中心工程位于福州市，主要功能包括展覽中心、會(huì)議中心及配套功能用房。結(jié)構(gòu)整體地下1層，層高6m；地上3層，1～3層層高分別為16，8，8m，1層標(biāo)高8m處部分區(qū)域有夾層；建筑高度約32m，造型屋面頂標(biāo)高約42m，總建筑面積約11.28萬m2。建筑效果圖見圖1。

結(jié)構(gòu)1層展廳樓面及3層主會(huì)議廳屋面均采用大跨度鋼桁架，桁架主要跨度為59.5，68m。結(jié)構(gòu)地上部分采用鋼管混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系，大跨度樓蓋的支承體系采用延性桁架體系,樓蓋采用鋼梁+混凝土組合樓板體系。

圖1 建筑效果圖

工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.65s。原結(jié)構(gòu)阻尼比為4%。

2 結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)

工程主體結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)跨度大、層高大且平面不規(guī)則。結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)采用屈曲約束支撐作為耗能構(gòu)件，分別應(yīng)用在鋼管混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系及大跨延性桁架樓蓋支承體系中。

2.1 BRB原理及應(yīng)用

2.1.1 BRB簡介

屈曲約束支撐(Buckling restrained brace，簡稱BRB)是位移型消能器，其在支撐桿件外圍設(shè)置約束元件，防止支撐桿件受壓屈曲，使得支撐具備對(duì)稱飽滿的荷載-位移滯回曲線，如圖2所示。屈曲約束支撐主體分為三個(gè)部分：內(nèi)核單元、約束單元和無黏結(jié)層[1]，見圖3。普通支撐在罕遇地震下容易出現(xiàn)受壓屈曲，而BRB在支撐桿件外圍設(shè)置約束元件，防止支撐桿件受壓屈曲，可顯著提高支撐自身的耗能能力[2]。在罕遇地震和極罕遇地震情況下，普通鋼支撐由于屈曲退出工作，而BRB支撐可以保持穩(wěn)定的承載力和耗能能力，避免結(jié)構(gòu)倒塌[3-4]。

圖2 BRB典型滯回曲線

圖3 BRB內(nèi)部構(gòu)造示意

2.1.2 BRB在框架中的應(yīng)用

屈曲約束支撐是目前實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的消能器之一[1]，作為近些年興起的一種新型高性能結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系兼?zhèn)浣M合框架結(jié)構(gòu)自重小、延性好、經(jīng)濟(jì)性好和屈曲約束支撐滯回耗能能力強(qiáng)、抗側(cè)剛度大等優(yōu)點(diǎn)[5]，其在遭受地震或強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)結(jié)構(gòu)整體的變形小，可以滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)更安全舒適[6]。

2.1.3 BRB在桁架中的應(yīng)用

圖4 延性桁架體系

桁架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)腹式鋼梁，具有跨度大、用鋼量低等優(yōu)點(diǎn)，但普通桁架結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，在水平荷載較大時(shí)承擔(dān)剪力的腹桿易發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度迅速退化，滯回性能不足，延性較差。2014年，Nattapat Wongpakdee等[7]提出將BRB作為端部下弦桿耗能，見圖4。理論研究表明，將BRB作為端部下弦桿，可以改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本工程采用大跨延性桁架體系，將桁架端部下弦桿替換為BRB，設(shè)計(jì)模型見圖5。通過消能減震設(shè)計(jì)確定BRB的屈服荷載，使BRB先于其他桿件進(jìn)入屈服狀態(tài)，將塑性變形限制在BRB區(qū)段，這不僅增大了桁架的延性和耗能能力，也降低了桁架的剛度，增加了結(jié)構(gòu)阻尼，使桁架其他構(gòu)件保持彈性工作狀態(tài)，從而大大提高桁架結(jié)構(gòu)的抗震性能[8]。

圖5 大跨延性桁架體系

2.2 BRB布置方案

BRB主要布置在結(jié)構(gòu)的框架及大跨鋼桁架兩個(gè)部位，具體如下。

2.2.1 框架BRB布置方案

本工程大空間區(qū)域抗側(cè)剛度較小，通過在大空間區(qū)域周圍設(shè)置BRB改善剛度不均勻性，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，為保證結(jié)構(gòu)安全性，考慮多遇地震作用下BRB不屈服，僅提供剛度；罕遇地震作用下BRB屈服，發(fā)揮一定的耗能作用。BRB的噸位即屈服荷載決定了BRB芯材截面的大小和BRB能提供的剛度大小[2]，根據(jù)原結(jié)構(gòu)的層間位移角和位移比，綜合考慮建筑布置條件及加工采購方便，本工程使用兩種噸位的BRB，屈服荷載分別為2 650，3 650kN。

在框架部位共設(shè)置82根BRB，其中，X向布置50根，Y向布置32根。支撐形式為對(duì)角支撐，框架部位BRB典型布置見圖6，BRB性能參數(shù)見表1。

框架部位BRB性能參數(shù) 表1

圖6 框架部位BRB典型布置

圖7 桁架部位BRB典型布置

圖8 地震波加速度時(shí)程曲線

2.2.2 桁架BRB布置方案

桁架部位BRB根據(jù)施工安裝次序分為兩種。1)先裝：BRB與桁架其他非耗能構(gòu)件同步安裝，承擔(dān)結(jié)構(gòu)恒載及活載；2)后裝：BRB待結(jié)構(gòu)主體施工完工后再安裝，僅承擔(dān)安裝后新增的活載和地震作用。

在水平地震作用下，各樓層桁架承受的層間剪力不相等，為使各層的消能段同步屈服，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，需要設(shè)計(jì)多種消能段長度，使用多種規(guī)格的BRB，同時(shí)考慮到桁架端部BRB會(huì)對(duì)框架柱產(chǎn)生一定的水平作用力，BRB噸位不宜過大。

在SAP2000軟件中使用WEN 塑性連接單元模擬BRB，設(shè)置施工次序，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析，提取連接單元內(nèi)力組合值取包絡(luò)，并適當(dāng)放大1.2倍左右，設(shè)計(jì)BRB的屈服荷載；提取連接單元的位移，保證BRB屈服位移(一般取消能段長度1/1 000)大于提取的單元位移。正常使用工況下BRB保持彈性，設(shè)防地震、罕遇地震作用下BRB先于其他桁架桿件屈服，發(fā)揮塑性耗能作用。

結(jié)構(gòu)桁架部位共設(shè)置59根BRB，其中1層28根，2層9根，3層22根，桁架部位BRB典型布置見圖7，BRB性能參數(shù)見表2。

桁架部位BRB性能參數(shù) 表2

3 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以論證結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)定抗震性能目標(biāo)。采用SAP2000軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及其損傷情況，介紹罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的整體耗能情況。

3.1 地震波選取

時(shí)程分析選取了3組地震波，包括1組人工波，2組天然波，地震波時(shí)程曲線及各波反應(yīng)譜對(duì)比見圖8，9。地震波的輸入方向，依次選取結(jié)構(gòu)X向或Y向作為主方向，相應(yīng)的另一方向Y向或X向則為次方向，分別輸入地震波的兩個(gè)分量記錄進(jìn)行計(jì)算，主方向、次方向輸入地震的加速度峰值按1∶0.85進(jìn)行調(diào)整，加速度峰值調(diào)至220gal。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)

從結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角、頂層位移、塑性發(fā)展過程和塑性發(fā)展的區(qū)域及深度來評(píng)估結(jié)構(gòu)整體抗震性能，考察結(jié)構(gòu)的整體耗能情況。

3.2.1 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

設(shè)置了BRB后，結(jié)構(gòu)主體頂層位移峰值顯著降低，結(jié)構(gòu)層間位移角約減小30%。設(shè)置消能器前后結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)包絡(luò)值對(duì)比見圖10。

圖10 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)包絡(luò)值對(duì)比

圖11 塑性鉸橫向荷載-變形曲線

圖12 框架的損傷發(fā)展順序及屈服狀態(tài)

設(shè)置BRB的結(jié)構(gòu)在罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析的位移響應(yīng)匯總見表3。從表3可知，罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析得到的結(jié)構(gòu)兩方向最大層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值。

結(jié)構(gòu)位移響應(yīng) 表3

圖9 各波反應(yīng)譜對(duì)比

3.2.2 構(gòu)件變形與損傷

采用SAP2000軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)進(jìn)行分析，主要觀察結(jié)構(gòu)的塑性鉸數(shù)量、分布和破壞程度等。模型塑性鉸定義如下，框架柱采用PMM鉸，該鉸綜合考慮了軸力和兩個(gè)方向的彎矩作用，框架梁采用M3鉸，該鉸忽略了軸力的作用[9]，桁架桿件采用P鉸，該鉸僅考慮軸力作用。塑性鉸橫向荷載-變形曲線見圖11，點(diǎn)B代表鉸的屈服，當(dāng)鉸到達(dá)點(diǎn)C時(shí)開始失去承載力。點(diǎn)IO、點(diǎn)LS和點(diǎn)CP代表鉸的能力水平，分別對(duì)應(yīng)于直接使用、生命安全和防止倒塌。

(1)框架部位構(gòu)件變形與損傷

以天然波2沿Y向輸入為例，分析設(shè)置BRB結(jié)構(gòu)框架在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形形態(tài)和損傷情況。圖12列出了結(jié)構(gòu)框架在天然波2輸入的第5，10，15s時(shí)的屈服狀態(tài)。

由圖12可知，在天然波2輸入過程中，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)為：首先結(jié)構(gòu)次梁出現(xiàn)塑性鉸，次梁損傷不斷增加；其次結(jié)構(gòu)少部分框架梁進(jìn)入塑性階段并參與結(jié)構(gòu)整體塑性耗能；最終個(gè)別框架柱底部進(jìn)入塑性階段；出鉸構(gòu)件塑性鉸深度均處于IO狀態(tài)，均未達(dá)到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌或者影響生命安全的程度。

(2)桁架部位構(gòu)件變形與損傷

以天然波2沿X，Y向輸入為例，分析結(jié)構(gòu)3層典型大跨桁架構(gòu)件在罕遇地震作用下的變形形態(tài)和損傷情況，示例桁架所在位置及構(gòu)件屈服狀態(tài)見圖13。示例桁架端部BRB編號(hào)見圖7，BRB單元出力及位移統(tǒng)計(jì)見表4。

圖13 示例桁架所在位置及構(gòu)件屈服狀態(tài)

示例桁架BRB單元出力及位移統(tǒng)計(jì) 表4

由圖13及表4可知，在罕遇地震作用下，桁架端部BRB單元出力均大于屈服荷載，說明BRB均進(jìn)入屈服狀態(tài)；桁架其余構(gòu)件均未出鉸，保持彈性。通過設(shè)計(jì)桁架端部BRB的屈服荷載，有效控制了桁架對(duì)框架柱的水平作用力。

3.2.3 結(jié)構(gòu)整體耗能情況

圖14 結(jié)構(gòu)能量耗散分布

以天然波2沿Y向輸入為例，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體耗能情況見圖14，可知BRB滯回耗能約占輸入能量的30%。

滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗?？蚣懿课缓丸旒懿课籅RB典型滯回曲線見圖15?？芍狟RB較早進(jìn)入屈服耗能階段，滯回曲線較為飽滿。

圖15 BRB典型滯回曲線

4 結(jié)論

本文主要介紹了BRB在結(jié)構(gòu)框架及桁架兩個(gè)部位的應(yīng)用，通過有限元分析重點(diǎn)考察了罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)及BRB的性能，分析結(jié)果表明：

(1)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足抗震規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生破壞，少部分框架梁參與塑性耗能，但不至于引起局部倒塌和危及結(jié)構(gòu)整體安全，彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求，抗震性能能夠達(dá)到“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

(2)BRB增加了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，降低了結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)；在罕遇地震作用下，BRB滯回曲線飽滿，耗能效果顯著，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

(3)大跨延性桁架體系經(jīng)濟(jì)性良好，抗震性能優(yōu)越，值得同類工程參考應(yīng)用。使用BRB替代桁架桿件，可以充分利用BRB的拉壓等強(qiáng)的性能，減小桿件截面。BRB可先于其他桿件進(jìn)入屈服耗能階段，有效地將塑性變形限制在BRB區(qū)段，從而增加桁架結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，提高桁架的抗震性能；同時(shí)控制桁架對(duì)框架柱的水平作用力，保證框架柱的安全。