屈曲約束支撐在某醫療建筑中的應用分析

張 飛 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

自20世紀90年代起，美國及日本首先對屈曲約束支撐進行研究，并在工程中大量使用。汶川地震后，屈曲約束支撐在國內的使用迅速增加，在重點設防類建筑、高層建筑以及加固改造工程等均得到了廣泛的應用[1、2]。屈曲約束支撐，一般有三個組成部分：內部芯材、中間無粘結材料以及外圍套筒[1、2]。屈曲約束支撐通過內部芯材在地震作用引起的軸向力下產生的塑性變形來耗散地震能量。為避免內部芯材受壓屈曲，保證芯材受壓時能實現全截面屈服，在芯材外圍設置無粘結材料和外套筒[1、2]。中間無粘結材料達到設置間隙的作用，降低芯材和外圍套筒的摩擦力，保證了芯材在受拉及受壓下均勻受力[3]。

1 工程概況

本工程為一四層門診醫技樓，局部一層地下室，平面尺寸121.2m×71.1m。首層高4.5m，二～四層層高均為4.2m，建筑總高度為17.4m。本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，多遇地震下水平影響系數最大值為0.12[4]。場地類別III類，特征周期為0.45s。根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）[5]第 3.0.2、3.0.3及4.0.3條，本工程作為醫療建筑抗震設防類別為重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求（即8度）加強其抗震措施。

另根據本工程地震安全性評價報告，要求多遇地震下水平影響系數為0.19（相當于抗震設防烈度8.2度），較原《抗震規范》規定的0.12提高約58.3%，地震作用大幅度增加。

1.1 結構方案比較

在方案設計階段最初考慮采用框架結構結構體系，通過試算，柱截面需做到1m×1m，梁截面做到0.4m×0.9m，梁、柱配筋率偏大；另胖柱肥梁，對建筑功能使用影響較大。采用“硬抗”的方式不經濟亦不太合理。

第二種方案采用框架-剪力墻體系，但門診醫技樓各樓層建筑功能復雜多變，剪力墻的布置很難在堅向方向保持連續，不宜找到適合的位置。在僅滿足結構計算指標的情況下，有較多的剪力墻影響建筑外立面，在協商之后，未采用此方案。

經查大量文獻，帶屈曲約束支撐框架結構因其優越的抗震性能在工程中得到了廣泛應用。在框架結構中設置一定數量的屈曲約束支撐能夠有效提供結構抗側剛度[6、7]，另屈曲約束支撐的布置相對自由，可根據建筑功能及結構剛度、承載力需求調整支撐的數量及位置。經對比和綜合考慮后，結構體系選用設置屈曲約束支撐的混凝土框架結構。

2 計算分析

2.1 支撐形式與布置

屈曲約束支撐的主要形式有3種：人字形、V形和單斜撐，支撐布置優先次序依次為人字形、V形和單斜撐，支撐與柱的夾角宜在 35°～55°[6、8]。在填充墻位置可優先選用人字形和V形，在遇門洞時可采用單斜撐，可根據建筑功能靈活布置。屈曲約束支撐布置宜對稱均勻，并在兩個主軸方向分別設置[6、8]。為提高屈曲約束支撐使用效率，屈曲約束支撐應優先布置在層間位移（地震作用下）較大的樓層，以及層間位移（地震作用下）較大的豎向構件處[6、8]，從下部樓層至上部樓層屈曲約束支撐的數量可逐漸減少，使結構整體剛度達到適中的程度。

本工程屈曲約束支撐型號共計6種，數量共計132根，內部芯材材質為Q235B，屈服承載力范圍為1500kN～4600kN。圖1、圖2分別為一層屈曲約束支撐平面布置圖和3-1軸屈曲約束支撐立面布置圖。

圖1 一層屈曲約束支撐平面布置圖

圖2 3-1層屈曲約束支撐立面布置圖

2.2 小震彈性分析

本工程采用SATWE程序進行小震彈性分析，多遇地震下水平影響系數為0.19。首先預估屈曲約束支撐內部芯材的截面面積，在計算模型中支撐按矩管截面定義并按斜桿單元輸入。斜桿兩端與柱或梁連接節點處定義為鉸接。計算完成后檢查結構各項計算指標以及梁、柱、斜桿等構件承載力是否滿足要求。

對于屈曲約束支撐，因屈曲約束支撐構件本身滿足穩定性的要求，而模型中支撐截面僅按內部芯材截面輸入，支撐構件只需滿足強度要求即可。支撐構件應力比一般控制在0.9～1.0左右。對于強度不滿足的支撐構件可通過調整截面尺寸或支撐位置。經不斷計算調整，最終模型確定如下：框架柱截面邊長為0.7m～0.8m，主梁截面0.4x0.8m，屈曲約束支撐132根。

屈曲約束支撐框架與普通框架整體指標對比 表1

表1為相同截面的混凝土框架結構在帶屈曲約束支撐和不帶屈曲約束支撐兩種結構體系下層間位移、側向剛度及周期計算指標對比。計算結果表明屈曲約束支撐框架結構抗側剛度及抗扭剛度有增加較大，結構整體振型狀態也更加規則。

2.3 大震彈塑性分析

采用YJK-EP軟件對結構進行動力彈塑性分析，梁、柱和屈曲約束支撐單元模型采用纖維模型模擬。選用Chi-Chi，Taiwan-06-No-3276、TAF-2 Taft 和TH3TG045三條時程波進行罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析，地震波峰值加速度取310cm/s2。罕遇地震作用下的結構層間位移角如圖3所示。

圖 罕遇地震下X、Y向層間位移角曲線

由圖3可得：①在3條地震波作用下，結構大震彈塑性層間位移角分布趨勢基本一致，最大層間位移角均出現在2或3層；②3條不同地震波作用下結構在的彈塑性層間位移角最大值小于1/100，均滿足規范的1/50的要求，說明本工程采用屈曲約束支撐進行消能減震設計具有良好的效果。

3 結論

對于高烈度設防地區的多層醫療建筑，因抗側剛度小、結構冗余度低，框架結構體系適用性降低；而且醫療建筑功能復雜多變，剪力墻的布置很難在堅向方向保持連續，框架-剪力墻體系亦不太適用。

對于屈曲約束支撐混凝土框架，屈曲約束支撐作為結構的“保險絲”，在小震下增加結構剛度，大震作用下通過支撐芯材的屈服消耗地震能量，保護主體結構，可有效提高結構的剛度、延性和抗震性能。