屈曲約束支撐在軌交高架車站工程的應(yīng)用

陳 瑜

(上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438)

0 引言

屈曲約束支撐[1]又稱防屈曲支撐或BRB(Buckling Restrained Brace)，最早發(fā)展于1971年的日本，一批日本學(xué)者成功研發(fā)了最早的墻板式防屈曲耗能支撐，并對其進(jìn)行了加入不同無粘結(jié)材料的拉壓試驗(yàn)。日本學(xué)者還做了帶支撐剪力墻的試驗(yàn)，將BRB的概念運(yùn)用于結(jié)構(gòu)中；1994年北嶺地震后，美國也開始對防屈曲支撐體系進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計研究和大比例試驗(yàn)，分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點(diǎn)[2]；1999年美國學(xué)者Clark進(jìn)行了3個大比例屈曲約束支撐的試驗(yàn)，為美國使用屈曲約束支撐的建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供了技術(shù)支持。BRB有以下特點(diǎn)：1)線彈性剛度高，滿足規(guī)范的變形要求；2)更強(qiáng)和更穩(wěn)定的能量耗散能力；3)BRB在工廠連接到節(jié)點(diǎn)板，可避免現(xiàn)場焊接及檢測，安裝方便且經(jīng)濟(jì)；4)方便更換損壞的支撐；5)方便調(diào)整支撐剛度和強(qiáng)度。基于以上優(yōu)點(diǎn)，孫建華等[3]以一個實(shí)際工程為例，對含屈曲約束耗能支撐的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)及抗震性能進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：小震作用下，BRB處于彈性狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供支撐剛度。在國內(nèi)應(yīng)用屈曲約束支撐的代表性建筑有上海國家會展中心、北京建筑大學(xué)圖書館等。本文以上海軌道交通17號線趙巷站(圖1)站臺的頂棚設(shè)計為例，主要對此項(xiàng)目中屈曲約束支撐的受力性能及耗能效果進(jìn)行分析。

圖1 趙巷站外觀效果圖

1 項(xiàng)目概述

如圖1所示，趙巷站工程下部為混凝土結(jié)構(gòu)，站臺層頂棚采用拱形鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總長157m，總寬29.44m，結(jié)構(gòu)標(biāo)高14.28～25.48m。頂棚結(jié)構(gòu)V形鋼柱支承在混凝土框架梁的頂面，V形柱縱向間距14.5m，主拱支承于V形柱柱頂，主拱跨度24.7m。頂棚主鋼結(jié)構(gòu)為整體設(shè)計，下部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)有兩道防震縫，防震縫處V形柱替換為BRB支撐，共設(shè)置4個BRB支撐。BRB支撐兩端與V形柱分叉點(diǎn)和主拱圈焊接連接，V形柱提供縱向剛度, BRB位置對應(yīng)的系桿采用滑動支座連接。裝飾性拱柱支承在混凝土框架側(cè)面，為鉸接柱腳。圖2為趙巷站的三維軸測圖、結(jié)構(gòu)平面圖、結(jié)構(gòu)立面圖、結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖2 趙巷站的三維軸測圖、結(jié)構(gòu)平面圖、結(jié)構(gòu)立面圖、結(jié)構(gòu)剖面圖

2 設(shè)計條件

為了協(xié)調(diào)頂棚鋼結(jié)構(gòu)與主體混凝土的變形，也為了增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)本身及整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，在趙巷站的頂棚鋼結(jié)構(gòu)跨縫中設(shè)置了耗能型屈曲約束支撐，如圖3～5所示。應(yīng)用BRB以后，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)于不設(shè)置BRB結(jié)構(gòu)的抗震能力。BRB受壓屈服仍然保持承載力，鋼結(jié)構(gòu)剛度下降不大，承載力良好，因此整體延性較好。車站在大震作用下具有良好的耗能減震能力，主體結(jié)構(gòu)損傷較輕。BRB在大震作用下屈服以后發(fā)揮其耗能作用，耗散結(jié)構(gòu)中的地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，因此主體結(jié)構(gòu)損傷較輕。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)斜柱截面為矩形管400×450×16×20，BRB芯材為20mm厚，250mm寬的一字型材，在芯材外包矩形管套筒400×450×12×12，與斜柱尺寸一致，刷完防火涂料及面漆后，整體造型和諧美觀，應(yīng)用BRB后內(nèi)部效果如圖6所示。

圖3 BRB所在位置示意圖

圖4 BRB節(jié)點(diǎn)圖

圖5 屋蓋系桿滑動連接節(jié)點(diǎn)圖

圖6 應(yīng)用BRB后內(nèi)部效果圖

鋼屋蓋所受外力以荷載的形式施加于站房屋蓋屋面上，設(shè)計使用年限為100年；結(jié)構(gòu)自重即為鋼材重量，由程序自動加載計算,并考慮乘以1.1的節(jié)點(diǎn)增大系數(shù)；恒荷載：金屬屋頂0.2kN/m2，膜屋頂0.01kN/m2；活荷載：施工檢修0.5×1.1=0.55kN/m2(100年重現(xiàn)期)；風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓0.6 kN/m2(100年重現(xiàn)期)；地震作用：抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.040，場地類別為Ⅳ類，地震分組為第一組，特征周期值為多遇及設(shè)防地震0.9s、罕遇地震1.1s；水平地震影響系數(shù)最大值為多遇地震0.08、設(shè)防地震0.23、罕遇地震0.45；溫度作用為±20.0℃。

3 屈曲約束支撐的設(shè)計

與普通支撐相比，BRB充當(dāng)“保險絲”，使頂棚鋼結(jié)構(gòu)承載力高，延性與滯回性能好[2-3]，提高框架的抗震性能。

在計算中，大震采用線性計算方法，BRB的力學(xué)性能采用兩折線模擬，即彈性和塑性兩個階段。BRB在小震下保持彈性，變形為4.35mm(屈服位移為9mm)；在大震作用下，BRB進(jìn)入塑性階段，BRB屈服之后，發(fā)揮其耗能作用，耗散作用到結(jié)構(gòu)中的主體能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

3.1 BRB的選型

本文采用BRB型號為RB-BRB ⅠA-400，在工廠與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接連接，芯材與砂漿之間加潤滑墊層。圖7，8分別為BRB結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖。BRB材料性質(zhì)如下：芯材形狀為一字形，材質(zhì)為BLY160,其他配件材質(zhì)為Q235B；屈服承載力為400kN，設(shè)計承載力為357.2kN，極限承載力為1 094.4kN；芯材截面面積為2 857.2mm2；支撐長度為7.322m，與水平方向夾角為39.52°；屈服位移為1.0～9.0mm，極限位移為12～150mm。

圖7 BRB結(jié)構(gòu)平面圖

圖8 BRB結(jié)構(gòu)剖面圖

3.2 BRB的計算

BRB的工作機(jī)理是利用低屈服點(diǎn)芯材的軸向受壓、受拉均屈服來耗散地震能量，其側(cè)向穩(wěn)定性及剛度由外部套筒和芯材之間的混凝土砂漿來保證，計算時無需考慮BRB本身的穩(wěn)定性和剛度。外部套筒的截面與結(jié)構(gòu)其他部分的鋼柱截面一致，其穩(wěn)定性及剛度均能滿足《TJ屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求。

首先在有限元軟件3D3S中定義BRB的截面為實(shí)腹長方形截面，定義材質(zhì)為BLY160，然后布置BRB，布置位置見圖3。對BRB進(jìn)行端部軸向鉸釋放。根據(jù)各工況及地震組合進(jìn)行計算分析，整體模型各項(xiàng)指標(biāo)滿足《TJ屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求后，得到BRB的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)計算結(jié)果，BRB非地震組合作用下最大軸力為304.73kN，小于BRB的設(shè)計承載力357.2kN；地震組合下最大軸力為268.03kN，小于357.2/0.75=476.27kN，其中0.75為地震組合系數(shù)。

BRB的正應(yīng)力σ的計算公式為：

(1)

式中：N為BRB的最大設(shè)計軸力，N=476.27kN；A為BRB的截面面積，BRB的截面為400×450×20×16，A=31 120mm2。

由式(1)計算可得BRB的正應(yīng)力σ=15.3MPa，小于其屈服強(qiáng)度fy=295MPa，BRB初步驗(yàn)算滿足要求。

4 有限元仿真

4.1 有限元模型

為了進(jìn)一步分析BRB對鋼結(jié)構(gòu)本身及整體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響，通過有限元軟件3D3S對趙巷站頂棚鋼結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的受力性能進(jìn)行了分析。模型：采用空間結(jié)構(gòu)模型，鋼屋蓋所受外力以荷載的形式施加于站房屋蓋屋面上；邊界條件設(shè)置為鋼結(jié)構(gòu)V形柱和裝飾性拱柱與下部結(jié)構(gòu)鉸接，BRB兩端鉸接，釋放BRB所在區(qū)間的屋面撐桿縱向約束。頂棚的恒荷載、活荷載及風(fēng)荷載工況見表1～3。

頂棚的恒荷載工況參數(shù) 表1

頂棚的活荷載工況參數(shù) 表2

頂棚的風(fēng)荷載工況參數(shù) 表3

面恒荷載分布如圖9所示，其中實(shí)線表示荷載分配到的單元。

圖9 面恒荷載分布圖

面活荷載分布如圖10所示，其中實(shí)線表示荷載分配到的單元。

圖10 面活荷載分布圖

風(fēng)振系數(shù)為1.4，風(fēng)壓高度變化系數(shù)由程序自動計算。按照類似結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)得出的體型系數(shù)：迎風(fēng)面越靠近檐口體型系數(shù)越大(體型系數(shù)最大值0.80)，背風(fēng)面越靠近弧頂體型系數(shù)越大(體型系數(shù)最大值-1.30)。具體的面風(fēng)荷載分布如圖11所示，其中實(shí)線表示荷載分配到的單元。

圖11 面風(fēng)荷載分布圖

4.2 計算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的計算結(jié)果如圖12所示。使用BRB之后，局部構(gòu)件上的最大軸力和最大剪力減小，BRB可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)并且減小相鄰構(gòu)件受力，可用于頂棚鋼結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計。

有無BRB時結(jié)構(gòu)的受力性能對比見表4。應(yīng)用BRB以后，結(jié)構(gòu)軸力減小了25%，結(jié)構(gòu)剪力減小了10%，用鋼量節(jié)省了16%。

有無BRB時結(jié)構(gòu)的受力性能對比 表4

為了驗(yàn)證BRB的抗震性能，選取了3條天然地震波對鋼屋蓋進(jìn)行了罕遇地震作用下非線性地震時程分析，地震波時程曲線見圖13，在防震縫對應(yīng)的支座位置設(shè)置了150mm的水平位移。分析比較了有無BRB時的鋼屋蓋時程分析包絡(luò)位移，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fcy波下的包絡(luò)位移最大。有無BRB時Fcy波下結(jié)構(gòu)的時程分析包絡(luò)位移見圖14，15。

圖13 地震波時程曲線

圖14 無BRB時Fcy波下結(jié)構(gòu)的時程分析包絡(luò)位移/cm

有無BRB時結(jié)構(gòu)的抗震性能對比見表5。在施加150mm的水平位移后，在罕遇地震作用下，有BRB的結(jié)構(gòu)位移比無BRB的結(jié)構(gòu)小15%～20%，證明有BRB的結(jié)構(gòu)比無BRB的結(jié)構(gòu)抗震性能更加優(yōu)越。

圖15 有BRB時Fcy波下結(jié)構(gòu)的時程分析包絡(luò)位移/cm

有無BRB結(jié)構(gòu)的抗震性能對比 表5

5 結(jié)論

本工程采用BRB協(xié)調(diào)頂棚鋼結(jié)構(gòu)受力與在主體混凝土中設(shè)置150mm寬的防震縫具有重要的作用。分析結(jié)果表明：

(1)在設(shè)防地震作用下，增加BRB后結(jié)構(gòu)的軸力、剪力以及用鋼量均有不同程度的減小。

(2)在罕遇地震分析中，增加BRB后結(jié)構(gòu)的變形、位移有明顯減小。