屈曲約束支撐在大型鐵路站房中的應用

趙 帥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司建筑設計研究分院,天津 300251)

1 屈曲約束支撐介紹

支撐是一種最為經濟的抗側力構件,它既能提高結構的剛度和承載力,又不影響建筑采光以及內部空間的分割,且具有施工方便、造價低等優點。傳統的帶支撐框架有中心支撐框架CBF(Concentrically Braced Frame)和偏心支撐框架EBF(Eccentrically Braced Frame)。中震和強震時,CBF中的支撐會受壓屈曲和受拉屈服,而屈曲會使受壓承載力降低,從而限制了支撐作為抗側力構件的耗能能力,因而大多數抗震規范都對中心支撐的抗震承載力進行調低[1]。EBF通過偏心梁段的屈服,限制支撐的屈曲,可使結構具有較好的耗能性能。但是由于偏心梁段屈服,地震后結構修復較為困難,且支撐的剛度得不到完全發揮[2]。

由于支撐屈曲不利于能量耗散,因此相對于傳統CBF提出了一種新的可以避免支撐屈曲的體系,稱為屈曲約束支撐鋼框架BRBF(Buckling Restrained Braced Frame)[3],屈曲約束支撐(Buckling-restrained Brace)由芯材,外套筒以及套筒內無粘結材料組成(圖1)。雖然BRB形式多樣,但原理基本相似,利用剛度較大的外套筒擬制中心芯板的屈曲。支撐的中心是芯材(Steel Core),為避免芯材受壓時整體屈曲,即在受拉和受壓時都能達到屈服,芯材被置于一個鋼套管(Steel Tube)內,然后在套管內灌注填充材料,該填充材料具有一定的強度,又有較好的密實性,且耐久性優越。為減小或消除芯材受軸力時傳給填充材料的力,而且由于泊松效應,芯材在受壓情況下會膨脹,因此在芯材和砂漿之間設有一層無粘結材料或非常狹小的空氣層(Gap)。屈曲約束支撐在日本應用較多,在美國、加拿大和我國臺灣地區也有使用,我國大陸地區也在推廣這種支撐體系,并且在北京、上海、西安等在建建筑中已經開始使用。

圖1 屈曲約束支撐的基本構成

屈曲約束支撐的發明解決了普通鋼支撐失穩破壞的問題,使鋼結構支撐在受拉和受壓時性能一致[4],從而大大提高了鋼材的利用率,如圖2、圖3所示。屈曲約束支撐成為了結構的耗能元件,起到結構“保險絲”的作用。屈曲約束支撐結構延性性能好,耗能能力增強,且屈曲約束支撐施工方法與普通鋼結構支撐相同,施工進度快,質量可靠。

當結構采用屈曲約束支撐后,建筑物經強烈地震后,主體結構將不會破壞,從而保護建筑物內人員安全和財產安全。

圖2 普通支撐試驗與滯回曲線

圖3 屈曲約束支撐試驗與滯回曲線

2 屈曲約束支撐在上海虹橋站的應用

屈曲約束支撐用在混凝土結構的薄弱層、加強層是很好的解決方案。汶川地震存在大量的混凝土框架破壞與倒塌,特別是很多底框的結構,底層結構破壞嚴重,甚至倒塌。專家建議,增加底部剛度避免薄弱層。另外框架結構只有1道防線,罕遇地震下可能存在倒塌危險,如果在混凝土框架或底層結構的下面1～2層采用屈曲約束支撐,可以形成屈曲約束支撐第一道防線進行耗能,保護混凝土框架與上部結構免于損失,是一種經濟可行的好辦法。

上海虹橋樞紐車站項目地上六層,其中第一、二層為混凝土結構,高12 m,第三到六層為鋼結構。由于建筑要求第一層的9根大柱到第二層抽掉了4根,柱距由9 m變為18 m。所以在第二層形成了明顯的薄弱層,地震下層間位移不能滿足。如果單純增加梁柱,由于抽掉的柱較多,幾乎是不可行的。唯一方案就是布置支撐,建筑要求可以加支撐的位置非常有限,而普通鋼支撐由于穩定及循環荷載折減等問題,支撐截面需要比較大。經過計算后,第二層的剛度增大太多,下面一層反而成了薄弱層,此外,由于普通鋼支撐加入后剛度增大很多,地震力加大很多,構件尺寸都需要放大很多,造價增加很多。

由于屈曲約束支撐沒有失穩問題,其截面面積較小,剛度正好。支撐加上后一層與二層剛度接近,沒有薄弱層了。此外,地震力比普通支撐方案減少很多,造價更加經濟。工程最后選用16根6 500 kN的支撐及8根10 000 kN的屈曲約束支撐,長度12～17 m。由于下端直接暴露在室內,采用了鑄鋼銷軸連接,也解決了建筑美觀設計問題[5],如圖4所示。

圖4 結構模型及支撐安裝照片

3 屈曲約束支撐在沈陽南站應用的可行性

3.1 東西附樓屈曲約束支撐應用可行性

沈陽南站東西附樓為多層框架結構,抗震設防類別為乙類,抗震設防烈度為7度。將本工程分為3個塔體,分別為1、2、3號塔(圖5),平面布置中部分樓層質心與剛心差別較大,造成平面剛度分布不均勻,且由于立面具有局部凹進或者凸出,部分樓層層高變化幅度較大,導致結構立面抗側剛度分布亦不均勻,在地震下有較為不利的影響。經計算,原結構塔1和塔2受扭轉影響較大,二者的周期比均不滿足要求。為提高結構抗震性能,減小扭轉作用的不利影響,在原結構的某些角部布置屈曲約束支撐,塔1、塔2均為1至4層,呈V形。支撐設置后的外觀如圖5、圖6所示。

圖5 東附樓屈曲約束支撐整體布置模型

注：圖中橢圓圈中位置為屈曲約束支撐平面布置位置,其他樓層布置與此相同

SATWE模型原結構和屈曲約束支撐方案的周期計算結果如表1所示。

表1 屈曲約束支撐方案周期計算結果的對比

由表1可以看出,在多遇地震作用下,采用屈曲約束支撐結構能夠滿足現行規范的各項指標控制要求，且加入屈曲約束支撐后的結構體系其整體剛度有所提高,扭轉效應對結構的不利影響減小。而在罕遇地震下,屈曲約束支撐進入屈服耗能階段,將對結構產生較大阻尼,從而有效地減輕了結構的地震反應,利用其很好的滯回耗能能力來耗散地震輸入能量,減輕主體結構的損傷。

3.2 中央站房屈曲約束支撐應用可行性

沈陽南站中央站房與東西站房存在同樣的問題,立面具有局部凹進或者凸出,部分樓層層高變化幅度較大,導致結構立面抗側剛度分布亦不均勻,經計算,周期比高達0.96；且中間跨度很大(66 m),撓度不易控制。

圖7、圖8分別為中央站房原模型和屈曲約束支撐模型,經計算發現,在軌道層和高架夾層局部位置施加支撐后,原來的第二周期由扭轉周期變為平動周期,周期比減小為0.85,且由于兩邊剛度的增大,中間屋蓋撓度在“恒+活”組合下由原來的131.5 mm變為120.9 mm,減小了8.1%。

圖7 中央站房整體模型

圖8 中央站房屈曲約束支撐布置方案

4 結論

(1)在多遇地震下,采用屈曲約束支撐后結構各項控制指標均滿足現行規范的要求；而在罕遇地震下,屈曲約束支撐進入屈服耗能階段,將對結構產生較大阻尼,從而有效地減輕了結構的地震反應,利用其很好的滯回耗能能力來耗散地震輸入能量,減輕站房主體結構的損傷。

(2)加入屈曲約束支撐后,站房結構體系整體剛度有所提高,其有助于控制結構周期比,減小了扭轉對結構的不利影響,能較好地解決大型站房結構體系復雜、動力學參數難控制等問題。

(3)將新型耗能減震技術應用到結構復雜的大型站房中,響應了創新型國家廣泛應用新技術的號召,是未來發展的必然趨勢。

[1]連尉安,張耀春.鋼支撐及框架-中心支撐雙重抗側力體系研究現狀、不足及改進[J].地震工程與工程振動,2005,25(3)：67-75．

[2]田 凱,肖亞明.高層建筑偏心支撐鋼框架在地震作用下的動力分析[J].工程與建設,2006,20(3)：214-216．

[3]張耀春,丁玉坤.防屈曲支撐、普通和特殊中心支撐鋼框架結構抗震性能分析[J].建筑鋼結構進展,2009(5)：3-5.

[4]賈明明,張素梅.采用抑制屈曲支撐的鋼框架結構性能分析[J].東南大學學報,2007,37(6)：1041-1047.

[5]劉晴云,閆鋒,汪大綏,常耘.屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結構設計中的應用[J].建筑鋼結構進展,2009(4)：27-35.