郭曉麗GUO Xiao-li
(河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,鄭州450000)
河南省鄭州市某銀行營運(yùn)生產(chǎn)用房建設(shè)項(xiàng)目為地下二層,地上十層,結(jié)構(gòu)形式為設(shè)置有屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為42.600m??拐鹪O(shè)防烈度為7 度,基本地震加速度為0.15g,場地土類別為三類,建筑抗震等級為二級。
地下及地上均為普通梁板結(jié)構(gòu),其中在樓、電梯間等對建筑影響較小的位置設(shè)置的屈曲約束支撐(簡稱BRB)。
本工程屬于丙類建筑,具體設(shè)計(jì)指標(biāo)和不同抗震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)細(xì)化詳見表1。
表1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)
3.2.1 本工程是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),使用有限元分析軟件ETABS 建立結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行計(jì)算與分析
為了校核所建立的結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性,將ETABS 和PKPM 建立的非減震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進(jìn)行對比,如表2、表3、表4 所示。表中差值為:(|ETABSPKPM|/PKPM)*100%。
表2 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比單位結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比 單位:Ton
表3 結(jié)構(gòu)周期對比(前三階) 單位:s
表4 基底剪力對比 單位:kN
綜合以上各表可知,用于本工程減震分析計(jì)算的ETABS 模型與PKPM 模型,在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期和基底剪力方面的差異很小,因此,兩模型基本上是一致的。
3.2.2 采用時(shí)程分析法時(shí),選取了實(shí)際2 條強(qiáng)震記錄(T1、T2)和1 條人工模擬(R1)加速度時(shí)程曲線
3.2.3 在ETABS 分析中,彈性時(shí)程分析只考慮阻尼器的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性
小震下減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角X 向?yàn)?/906,Y 向?yàn)?/807,均小于規(guī)范限值1/550,滿足要求。小震下阻尼器性能,提取其中單個(gè)阻尼器的內(nèi)力—變形曲線,以查看阻尼器在小震作用下的滯回性能,以kN,mm 為單位,見圖1。由阻尼器參數(shù)及阻尼器出力情況可知,小震作用下,所有的阻尼器均未發(fā)生屈服,還處于彈性狀態(tài)。
圖1 屈曲約束支撐的滯回曲線
3.2.4 大震彈塑性時(shí)程分析
3.2.4.1 整體指標(biāo)
根據(jù)規(guī)范要求,大震下的計(jì)算結(jié)果取三條地震波的包絡(luò)值,由計(jì)算可知結(jié)構(gòu)X 向的最大層間角為1/157(如圖2),Y 向的最大層間角為1/146(如圖3),均小于規(guī)范限值1/50,滿足要求。
圖2 X 向樓層層間位移角
圖3 Y 向樓層層間位移角
3.2.4.2 結(jié)構(gòu)在大震彈塑性分析中的最終出鉸狀態(tài)
大震時(shí)框架梁屈服狀態(tài)達(dá)到B,即輕微屈服,在該情況絕大部分框架柱仍有較好彈性,塑性鉸出現(xiàn)于框架梁兩邊,同時(shí)其損傷要高于前者,這滿足“強(qiáng)柱弱梁”抗震規(guī)范,損傷機(jī)制合理。
1.23 排除標(biāo)準(zhǔn) ①慢性胰腺炎患者;②入院前30 d內(nèi)接受過生長抑素治療者;③伴有心、肝、腎等臟器功能嚴(yán)重障礙者;④對本研究藥物過敏者。
3.2.4.3 大震阻尼器性能
提取阻尼器的內(nèi)力和位移,可以看出,絕大部分BRB在大震作用下均屈服耗能(見圖4)。
圖4 屈曲約束支撐的滯回曲線
3.2.5 阻尼器子結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算
與支撐相連接的框架梁均設(shè)置自動(dòng)M3 鉸,與支撐相連接的框架柱均設(shè)置P-M2-M3 纖維鉸,以考察各消能子框架在大震作用下的性能水平是否能達(dá)到既定的性能目標(biāo)。為確保消能子結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮作用,《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》和《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均提出一定的要求:消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱和墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設(shè)計(jì),并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力。圖5 為構(gòu)件承載力與變形曲線,由圖可知,C 點(diǎn)對應(yīng)的是構(gòu)件的最大承載力,若軟件中構(gòu)件的塑性鉸狀態(tài)超過C 點(diǎn)則認(rèn)為構(gòu)件的地震效應(yīng)超過其極限承載力,則不滿足設(shè)計(jì)要求,否則反之。根據(jù)各消能子框架在RG1 波、TH1 波、TH2 波最后一步的出鉸情況,可以看出,在大震作用下與支撐相連接的框架梁柱均處于B 狀態(tài),未及C 狀態(tài),表明在大震作用下與支撐相連接的框架梁柱受力均小于構(gòu)件極限承載力。
圖5 承載力與變形曲線
3.2.6 附加阻尼比計(jì)算
本報(bào)告對結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行彈性和彈塑性時(shí)程分析,主要結(jié)果總結(jié)如下:
①多遇地震下,采用屈曲約束支撐(BRB),可以提供剛度,結(jié)構(gòu)X 向和Y 向最大位移角分別為1/906、1/807,滿足規(guī)范要求。
②罕遇地震下,結(jié)構(gòu)X 向和Y 方向最大位移角分別為1/157、1/146,滿足規(guī)范要求;框架梁產(chǎn)生塑性鉸,少量底層框架柱產(chǎn)生塑性鉸,整體結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制合理,滿足強(qiáng)柱弱梁的目標(biāo)。屈曲約束支撐大震下大部分屈服,發(fā)生塑性變形,其滯回曲線飽滿,耗散了大量地震作用,保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。罕遇地震下,子結(jié)構(gòu)內(nèi)力小于極限承載力,滿足子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。
①相比于其他抗側(cè)力構(gòu)件,它不僅具有著較低成本優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也可以很好地增強(qiáng)項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)承載及剛度,另外不會(huì)對內(nèi)部采光、空間分割等造成不便。從實(shí)際來看,屈曲約束支撐(簡稱BRB)主要是由芯材、套筒內(nèi)無粘結(jié)材和外套筒所構(gòu)成。目前這一類型支撐有著較多的形式,然后其原理大同小異,即借助于外套筒強(qiáng)剛度來防止中心芯板出現(xiàn)屈曲。BRB 內(nèi)部為芯材,通常外部罩著鋼套管并在腔內(nèi)填充入具有一定強(qiáng)度和密實(shí)性的材料。如此結(jié)構(gòu)能夠保證芯材不論是受壓或者受拉中均可以實(shí)現(xiàn)屈服。另外,出于降低芯材受軸力作用而傳導(dǎo)到填充材料導(dǎo)致后者產(chǎn)生泊松效應(yīng),繼而造成前者出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,因而芯材與砂漿二者中間要設(shè)置十分小的空氣層(或者是無粘結(jié)材料)。在歐美等國家屈曲約束支撐有著較為廣泛地應(yīng)用,目前我國正在逐步推廣該體系,并從實(shí)際項(xiàng)目情況來看效果還不錯(cuò)。與常規(guī)鋼支撐相對比,屈曲約束支撐不僅沒有失穩(wěn)破壞情況,并且還可以確保鋼支撐受壓受拉性能同樣,這對于提升鋼材利用率大有幫助。另外,該支撐可以作為項(xiàng)目結(jié)構(gòu)耗能原件,這可以起到保險(xiǎn)作用。最后,該支撐還具有耗能高、結(jié)構(gòu)延性佳,施工方便簡便效率快等優(yōu)點(diǎn)。
②屈曲約束支撐的主要應(yīng)用形式有一字型、V 字型、人字型,可以結(jié)合建筑的功能靈活布置在合適的位置。本項(xiàng)目的支撐形式主要采用的是一字型斜撐和人字型支撐。
③屈曲約束支撐布置的對應(yīng)位置均為樓、電梯間、衛(wèi)生間等對建筑功能及方案效果影響較小的地方,且根據(jù)對應(yīng)位置建筑功能可靈活選擇合適的支撐布置形式。一方面利用支撐在小震下為結(jié)構(gòu)主體提供剛度,以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸;另一方面利用支撐在大震下的耗能功能實(shí)現(xiàn)規(guī)范所要求的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo),符合國家關(guān)于消能減震的發(fā)展理念。
①項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn):該項(xiàng)目為回字形建筑,平面及豎向均有不規(guī)則內(nèi)容:平面:a、中心部位樓板開洞,b、二層平面有較深凹槽,c、樓、電梯間均在房屋左側(cè)角部位置,d、邊跨框架柱在水平及垂直方向有角度(形成近似平行四邊形),e、在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下,樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件層間位移的最大值與平均值的比值大于1.2;豎向:a、豎向收進(jìn)(有兩層裙房)。
②框架結(jié)構(gòu):在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)分析時(shí),層間位移角如果控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)(小于1/550),需要建筑物周邊框架柱截面控制在1400×1400mm,梁截面控制在600×800mm,影響建筑樓、電梯間的空間使用,房間內(nèi)大尺寸框架柱同樣影響房間的功能,極大的限制了建筑方案的實(shí)現(xiàn),甚至需要對方案進(jìn)行修改。
③框架-剪力墻結(jié)構(gòu):由于建筑方案對房間使用功能及布局均要求較高,造成剪力墻上下無法對應(yīng),很大程度上限制了結(jié)構(gòu)剪力墻的布置,在有限的空間布置上,剪力墻的厚度較大,相應(yīng)的剪壓比超限問題、及剪力墻周邊框架柱配筋超限較難以解決,且由于地下室車位及其他功能限制,地上的剪力墻無法落地,造成在地下室頂板出現(xiàn)轉(zhuǎn)換,造成成本的相應(yīng)增加。
④設(shè)置普通鋼支撐的框架結(jié)構(gòu):采用普通支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),小震下有個(gè)別普通支撐出現(xiàn)了穩(wěn)定性問題,中大震下普通支撐穩(wěn)定性問題更為突出,這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)在中大震下性能會(huì)大打折扣。而按照同時(shí)滿足剛度和承載力的準(zhǔn)則將普通支撐替換成屈曲約束支撐。屈曲約束支撐如前所述,不存在穩(wěn)定性問題,其在受拉受壓時(shí)性能一致。故將普通支撐替換成屈曲約束支撐后,結(jié)構(gòu)在小中大震下不存在穩(wěn)定性問題,且屈曲約束支撐在中大震作用下開始屈服耗能,成為結(jié)構(gòu)的第一道防線,起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用,結(jié)構(gòu)的抗震性能會(huì)得到顯著提高。
①通過現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)與設(shè)置有屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的經(jīng)濟(jì)對比,設(shè)置支撐后框架柱、框架梁截面尺寸均有減小,根據(jù)目前市場上的綜合造價(jià),一立方混凝土費(fèi)用約1500-2000 元(其中包含鋼筋、人工、措施費(fèi)等綜合費(fèi)用,按鄭州目前市場價(jià)取費(fèi))。目前屈曲約束支撐生產(chǎn)廠家相對增多,市場價(jià)格趨于穩(wěn)定,經(jīng)和多個(gè)廠家了解價(jià)格,支撐價(jià)格約為1-3 萬(具體價(jià)格與支撐承載力及尺寸有關(guān)),本項(xiàng)目設(shè)置支撐與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相比較,成本基本持平。
②傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),框架柱梁截面均較大,一方面不利于建筑功能的實(shí)現(xiàn);另一方面甚至因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸問題造成建筑方案的退讓和修改,改變了方案的設(shè)計(jì)初衷。設(shè)置支撐的框架結(jié)構(gòu),均設(shè)置在樓、電梯間、衛(wèi)生間等位置,對建筑功能及使用感影響不大,更有利于建筑方案的落地,也更優(yōu)化建筑空間的使用。
③對于常規(guī)高層框架結(jié)構(gòu),可利用支撐靈活布置的優(yōu)勢,合理利用建筑空間,優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制,減少整體結(jié)構(gòu)用鋼量,同時(shí)在滿足結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的條件下,使得建筑抗震性能得到較大優(yōu)化與提升,也符合國家鼓勵(lì)和推行消能減震技術(shù)的初衷和要求。
2021 年9 月1 日國家正式頒布實(shí)施的《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》中,對于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的重要建筑、重點(diǎn)設(shè)防類建筑均提出采用隔震減震等技術(shù)的要求,同時(shí)國家鼓勵(lì)在以上區(qū)域以外的建設(shè)工程中采用隔震減震等技術(shù),提高抗震性能。減震隔震技術(shù)越來越走入設(shè)計(jì)人員的視野中,但是對于《條例》重點(diǎn)區(qū)域范圍外的常規(guī)公共類建筑,較少采用減震隔震技術(shù)。通過上述項(xiàng)目的計(jì)算、構(gòu)造、經(jīng)濟(jì)性、適用性等各項(xiàng)分析,不難看出,對于常規(guī)辦公等公共建筑,屈曲約束支撐由于其設(shè)置的靈活性,既能滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)三水準(zhǔn)的要求,優(yōu)化了抗震設(shè)計(jì)性能,又解決了建筑方案對空間的需求,同時(shí)由于屈曲約束支撐的逐漸廣泛應(yīng)用,使其質(zhì)量及價(jià)格趨于穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)性較好,因此,在今后設(shè)計(jì)中,對于普通抗震設(shè)防地區(qū)的常規(guī)辦公建筑可優(yōu)先考慮屈曲約束支撐的使用。