屈曲約束支撐在某超高層中的應用

呂超力

(廈門新區建筑設計院有限公司 福建廈門 361000)

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程為一棟商住綜合辦公樓，主塔樓三十一層，裙房十四層，第三層層高10m，其余樓層為5m，結構總高度為160m。設兩層地下室，層高分別為5.75m和3.8m。主塔樓標準層見(圖1)，建筑效果圖見(圖2)。

1.2 地震作用

本工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。地震動參數取值見(表1)。

表1 地震動參數取值

1.3 結構體系布置

圖1 主塔樓標準層

本工程為鋼筋混凝土框架-核心筒結構。主塔樓平面尺寸約為36m×35m，主塔樓核心筒平面尺寸為15m×14.6m，裙樓平面尺寸約為80m×49m。結構計算取地下室頂板為嵌固端，嵌固端以上結構計算高度為160m，為B級高度的超限高層[2]。主塔樓高寬比為4.6，核心筒高寬比為11。結構構件抗震等級:框架與筒體均為一級，底部加強區以及體型收進部位上、下各2層豎向構件抗震等級為特一級[2]。

主塔樓核心筒主要墻厚800～350，底部加強區核心筒主要約束邊緣構件內均設置型鋼。主塔樓外框柱13層以下為型鋼混凝土柱，截面尺寸為1300×1300，型鋼面積取截面積的5%。13層以上為鋼筋混凝土柱，截面尺寸1300×1300～900×900。主塔樓核心筒連梁高 900，外框架與核心筒連接主梁截面為400×1200，邊框梁截面為500×1200。結構標準層布置圖見(圖3)。

圖2 建筑效果圖

圖3 結構標準層布置圖

2 屈曲約束支撐簡介及布置

2.1 屈曲約束支撐的優越性及在本工程中的應用

屈曲約束支撐是在受拉與受壓情況下都能達到承載全截面屈服的軸向受力構件[3]，其最大優點是自身的承載力與剛度的分離。普通支撐因需要考慮其自身的穩定性，使截面和支撐剛度過大，從而導致結構的剛度過大，這就間接地造成地震力過大，形成了不可避免的惡性循環。選用防屈曲支撐，即可避免此類現象，在不增加結構剛度的情況下滿足結構對于承載力的要求[4]。

根據屈曲約束支撐的特點，其在本工程中能得到很好的應用:

1)結構核心筒高寬比過大，抗側剛度難以滿足要求，采用加大結構斷面、增加配筋來抵抗地震，結果是斷面越大，剛度越大，地震作用也越大，經濟性欠佳。在小震下，屈曲約束支撐具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態，可為結構提供側向剛度以滿足使用要求。

2)本工程屬于7度設防區，地震作用大，地震作用對結構起控制作用，且本工程豎向剛度突變，同時平面形狀不規則，在地震下有較為不利的影響。屈曲約束支撐在大震作用下則可起到結構消能器的作用，提高結構的整體抗震性能，且其合理布置可減小結構的不規則性。

2.2 支撐布置方案

本工程屈曲約束支撐平面布置在外框柱與內核心筒之間，增強外框柱與核心筒的協同作用。豎向布置位于結構層間位移角較大的樓層，以充分發揮支撐小震下提供剛度，大震下耗能的作用。支撐形式為V字型。

屈曲約束支撐主要集中設置于主塔樓16～26層處，裙樓頂部三層局部為單榀框架，該處也設置了少量支撐，以增加結構冗余度。本文主要介紹位于主塔樓范圍內的支撐，主要支撐豎向布置如(圖4)所示，平面布置如(圖5)所示。

支撐布置總數量及參數統計見(表2)。

圖4 支撐布置剖面圖

表2 主要支撐布置情況及參數一覽表

圖5 支撐布置平面圖

3 分析計算結果

本工程使用SATWE及Gen進行結構在不同地震烈度下的整體分析。計算模型為整體的三維有限元模型。

3.1 小震彈性分析計算結果

小震使用PKPM系列軟件SATWE進行振興分解反應譜分析。布置支撐的樓層及豎向收進處采用彈性樓板，其余樓層均采用剛性板假定。小震下，未設支撐原方案和屈曲約束支撐方案的主要結構計算結果對比詳見(表3)。

根據(表3)結果對比可以得知，在多遇地震下，Y方向最大層間位移角有較大變化，采用屈曲約束支撐減震結構較原結構方案層間位移減小了14%，滿足規范層間位移角的限值要求1/750。主要周期及基底剪力與原結構相比變化不大，差值在5%以內。可見在本工程中，屈曲約束支撐為結構提供抗側移剛度的同時，可保證原結構的地震作用基本不變。

(圖6、圖7)給出了帶BRB支撐減震結構模型和原結構計算模型小震下各層層間位移角對比。結果表明，在小震作用下兩個方向的最大層間位移角均小于1/750，滿足現行抗震規范要求。Y方向在加設屈曲約束支撐后的樓層，其層間位移角較原結構均有10%以上的降低效果，且15～16層位置的豎向剛度突變明顯減小，上部塔樓層間位移變得更均勻。

表3 屈曲約束支撐方案主要計算結果的對比

圖6 X向層間位移角對比

圖7 Y向層間位移角對比

3.2 大震PUSHOVER分析

大震采用Midas系列軟件 Gen進行PUSHOVER分析。各構件的塑性鉸設置為:框架梁兩端設置缺省的自動彎曲M3鉸本構模型;柱頂和柱底設置缺省的PMM鉸本構模型;剪力墻設置缺省的自動墻鉸本構模型;支撐根據屈曲約束支撐特性自定義支撐P鉸本構模型。支撐塑性鉸具體設置參數詳見(圖8)。

3.2.1 大震下抗倒塌驗算

經過計算，在罕遇地震作用下，X向最大層間位移在第三層，為22.16mm，層間位移角1/289。Y方向最大層間位移在第三層，為27.16mm，層間位移角1/235。大震下層間位移角最大值均位于結構10m層高的第三層，該層為結構薄弱層。

3.2.2 大震作用下塑性鉸發展情況

圖8 屈曲約束支撐塑性鉸設置參數

在X方向、Y方向結構模型上的靜力彈塑性分析過程中，結構的塑性鉸首先出現在屈曲約束支撐上，即屈曲約束支撐已開始進入耗能狀態。隨后底部剪力墻和部分梁端出現塑性鉸。最后僅少量框架柱上才出現塑性鉸。從進入屈服狀態的構件來看，大部分屈曲約束支撐在性能點位置都進入耗能階段，而只有少部分梁柱構件及底部剪力墻出現塑性鉸，這說明屈曲約束支撐是結構耗能的一種主要構件，同時整體結構滿足強柱弱梁的要求，框架柱作為抗震的第二道防線，基本不出現塑性鉸，形成合理的整體型結構屈服機制。結構位于性能點時塑性鉸圖詳見(圖9)。值得注意的是底部加強部位以及裙房剪力墻破壞較為嚴重。

圖9 帶支撐減震結構大震性能點桿端塑性鉸圖

選取Y向屈曲約束支撐在pushy工況的軸力-變形關系，如(圖10)所示。從圖中可以看出，屈曲約束支撐按設計的屈服荷載和屈服位移，在結構較小的變形情況下即進入了屈服，成為結構主要耗能構件。

圖10 16層Y向BRB(250T)軸力－變形曲線(kN－mm)

4 抗震性能總體評價

1)通過小震計算，在本工程中，屈曲約束支撐可提高原結構的剛度，且結構的地震作用基本不變。相較傳統增大構件截面的方法提高結構剛度具有更好的經濟性，且其布置靈活，可以減小結構的不規則性。

2)在罕遇地震作用下，對布置有屈曲約束支撐的模型，結構的整體變形不超過規范限值，屈曲約束支撐在結構較小的變形情況下即進入了屈服，成為結構主要耗能構件。結構的最大層間位移角超過了抗規中性能3的標準。

3)剪力墻底部加強區是整個結構的薄弱環節，尤其是剛度較弱的第三層，應進行進一步的性能設計。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ3-2010，高層民用建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]郭彥林，劉建彬，蔡益燕，等.結構的耗能減震與防屈曲支撐[J].建筑結構，2005，8:18-23.

[4]周云.防屈曲耗能支撐結構設計與應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.