裝配式屈曲約束支撐在北京某高層建筑中的應用研究

胡挺益，王振華

（1.華商國際工程有限公司，北京 100069；2.北京堡瑞思減震科技有限公司，北京 100070）

地震具有突發性、頻率高以及對社會危害大等特點，是一種破壞力極大的自然災害。強震下純框架體系抗側剛度較小，抗震能力不足，通常提高結構的抗震措施是通過單一的增加構件截面尺寸，這樣不僅浪費資源，且工程應用性有限，故隨之提出了支撐框架體系。余峰（2010）進行了純鋼框架、支撐框架結構以及防屈曲支撐框架結構振型分解反應譜分析，研究表明純鋼框架的抗側剛度最小，水平位移最大。武娜等（2013）進行了防屈曲支撐加固既有框架結構，通過與空框架對比分析表明，附加防屈曲支撐顯著提高框架結構的抗側剛度，能提高既有框架結構的抗震能力。郭彥林等（2013）對純鋼框架、支撐鋼框架以及剪力墻鋼框架結構進行模態分析與動力時程分析，研究表明，強震作用下，純鋼框架的水平位移最大，支撐框架與剪力墻框架結構的水平位移相對較小，抗側剛度明顯提高。孔祥雄等（2010）進行了屈曲約束支撐框架結構和普通支撐框架結構的理論研究與子結構試驗分析，研究表明，相比普通支撐，屈曲約束支撐增加結構的剛度、強度，提高結構的耗能能力更加明顯。裝配式屈曲約束支撐作為一種自主研發的新型耗能支撐，其具有降低造價成本、縮短工期等特點，且在框架結構的抗震加固改造中具有廣闊的應用前景。故本研究應用有限元軟件SAP2000對裝配式屈曲約束支撐結構與普通支撐結構進行了彈塑性時程分析，對比了兩種建筑結構在8度罕遇地震作用下的層間位移角和基底剪力的差異，以期為裝配式屈曲約束支撐的實際推廣應用提供理論指導。

1 工程概況

本研究項目位于北京市通州區，為北京市城市副中心的一組辦公建筑，其總面積為49 840 m2，總高度56.5 m。地上建筑面積為36 285 m2，地上建筑設有辦公、會議、機房、指揮大廳和職工宿舍等；地下建筑面積為13 555 m2，地下建筑設有車庫、機房、廚房、食堂和汽車庫等。項目的地上通過抗震縫分為三個結構單元：西配樓和南配樓層數為五層，其首層層高5.4 m，二層及以上層高為4.0 m；主樓層數為十四層，其首層層高為4.5 m，二層及以上層高為4.0 m。項目基礎面以上采用鋼框架—支撐結構，支撐采用裝配式屈曲約束支撐；±0.000 m以下采用鋼筋混凝土框架結構。基礎采用平板式筏形基礎。

2 消能減震方案設計

消能減震就是在結構的薄弱部位設置并安裝耗能減震裝置，在強震作用下，通過耗能裝置的軸向拉壓、剪切、扭轉等進行彈塑性滯回耗能（景銘等，2017），吸收并耗散地震輸入體系的能量，以降低主體結構的地震響應。消能減震裝置繁多，大致可分為速度相關型與位移相關型阻尼器（廖述江等，2016），速度相關型的以粘滯阻尼器為代表，其通過速度相關作用給體系提供阻尼，但存在反應較慢，且容易出現漏油等問題。位移相關型的以金屬阻尼器為代表，通過金屬的剪切或屈服，達到耗散地震能量的作用。其中，屈曲約束支撐作為一種新型耗能器，解決了普通支撐受壓屈曲現象，是目前被公認為性能最穩定的耗能減震裝置之一。

2.1 裝配式屈曲約束支撐的優勢

屈曲約束支撐主要由芯材、外圍約束構件與無粘結材料組成（謝偉等，2015）。然而，傳統型屈曲約束支撐的外圍約束構件為普通混凝土，混凝土的澆筑養護大大提高了支撐制作時間。該支撐實現了對外圍約束構件的裝配，即混凝土先灌注在弓形槽鋼內養護完成，然后將其與芯材組裝，并加插墊板，最后兩側蓋板封焊外圍鋼管，完成支撐制作。該裝配式屈曲約束支撐實現了工廠預制化，具有降低造價成本、縮短工期等優勢，同時也大大降低了傳統型屈曲約束支撐漲模風險和施工難度。

依據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010，對本工程提供的裝配式屈曲約束支撐進行隨機抽檢檢測（陳勇軍等，2018），檢測地點為清華大學結構工程結構實驗室，檢測設備為微機控制電液伺服液壓試驗臺，試驗照片如圖1所示，主要檢測參數包括裝配式屈曲約束支撐的屈服荷載與荷載-位移曲線（趙俊賢等，2019），抽檢的裝配式屈曲約束支撐全部合格，檢測結果如表1與圖2所示，由表可知：裝配式屈曲約束支撐屈服荷載的設計值與實測值基本保持一致，其中支撐型號BRB-7荷載-位移曲線飽滿圓潤，體現出其良好的耗能能力。

表1 裝配式屈曲約束支撐檢測結果

圖1 裝配式屈曲約束支撐構造現場試驗照片

圖2 型號BRB-7荷載-位移曲線

2.2 裝配式屈曲約束支撐的力學模型

運用有限元軟件SAP2000對結構體系進行彈塑性分析時，采用Bouc-Wen連接單元用以模擬裝配式屈曲約束支撐，Bouc-Wen為一種改進的簡化模型，是用滯變微分方程來描述光滑滯變恢復力的特點，其模型的恢復力公式為：

式中：d（t）——屈曲約束支撐軸向變形；v——速度；z（t）——Bouc-Wen光滑滯回位移，取決于構件本身結構特性以及材料特性；α，β，A，n——描述滯回環形狀的參數。

2.3 裝配式屈曲約束支撐的布置

裝配式屈曲約束支撐宜布置于結構的薄弱部位，從而最大限度地發揮支撐耗能作用（杜永山等，2019）。常見的支撐布置形式有：單斜向、菱形、X字形、K字形、人字形以及倒人字形等。楊艷敏等（2019）指出，單斜向與人字形為目前工程應用中最常見的布置方式。裝配式屈曲約束支撐性能參數如表2所示，依據屈服力的不同，將支撐劃分為11種編號，沿底層向頂層連續布置，并且支撐的屈服力沿樓層增加而減小，每層布置14根，共布置15層，平面布置如圖3所示，圖中以矩形框表示支撐布置位置，其中中間跨支撐布置形式為單斜向，其余跨布置為人字形。支撐立面布置模型如圖4所示，對比模型為普通鋼支撐結構，普通鋼支撐的截面為箱形，其彈性剛度與裝配式屈曲約束支撐的保持一致，且各層鋼支撐布置形式與裝配式屈曲約束支撐結構保持一致。普通鋼支撐結構模型編號為CF-1，裝配式屈曲約束支撐結構模型編號為CFBRB-1。

圖3 裝配式屈曲約束支撐布置

圖4 支撐立面布置模型

表2 裝配式屈曲約束支撐性能參數

3 抗震設防標準與地震波選擇

本項目地處北京市通州區，依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010，以下簡稱《抗規》）（2016版），抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2 g，設計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類，特征周期：多遇地震的周期在0.55 s以內，罕遇地震（8度地震）的周期在0.60 s以上。

《抗規》5.1.2條規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計算的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%（李建亮等，2011）。為此，應用軟件SAP2000進行結構減震分析時，采用第五代區劃圖參數，選取3組地震波，選取為1條人工波（ArtWave-RH1TG055波）與2條天然波（TH1TG065波與TH4TG045波），并進行彈性時程分析，分析表明每條時程計算的結構底部剪力不小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，即所選地震波滿足規范要求，3條地震波曲線如圖5所示。

圖5 地震波曲線

4 結果分析

4.1 周期對比

兩種結構的周期對比如表3所示，可知，裝配式屈曲約束支撐結構的自振周期小于普通鋼支撐結構，說明裝配式屈曲約束支撐提高結構剛度能力略高于普通鋼支撐結構。

表3 兩種結構自振周期對比

4.2 層間位移角對比

在8度地震X向地震波加載作用下，普通鋼支撐結構與裝配式屈曲約束支撐結構各層最大層間位移角如圖6所示，由圖6可看出，3組地震波下，結構CF-1的最大層間位移角為1/72，結構CFBRB-1的最大層間位移角為1/86，均小于規范限值1/50。結構CFBRB-1的最大層間位移角均小于普通支撐結構CF-1，樓層為6～15層時，層間位移角差值更大，最大相差分別為19.3%、14.1%與9.1%，說明頂層布置裝配式屈曲約束抑制層間位移角大小的效果明顯優于普通鋼支撐。

圖6 X向層間位移角

在8度地震Y向地震波加載作用下，普通鋼支撐結構與裝配式屈曲約束支撐結構各層最大層間位移角如圖7所示，由圖7可看出，兩種結構底層的層間位移角大小基本保持一致，當樓層較高時，裝配式屈曲約束支撐結構的層間位移角更小，比普通鋼支撐結構減小了分別為11.7%，13.2%與16.5%，說明布置裝配式屈曲約束支撐能明顯提高結構的抗震性能，并且兩種結構最大層間位移角均小于規范限值1/50。

圖7 Y向層間位移角

4.3 基底剪力對比

兩種結構樓層的X、Y向剪力對比如圖8所示。由圖8可看出，兩種結構在X向底層剪力的差值大于Y向，原因在于裝配式屈曲約束支撐耗散部分地震輸入能量，減小主體結構地震響應，從而減小層間剪力，在8度地震作用下，主體結構地震響應降低不明顯，主要由于普通鋼支撐受壓易屈曲失穩退出工作。

圖8 樓層最大剪力

8度地震作用下的基底最大剪力如表4所示，可知，結構CF-1的最大基底剪力均大于結構CFBRB-1，說明了裝配式屈曲約束支撐能明顯降低結構的地震響應。在X向的3組地震波加載作用下，結構CF-1的最大基底剪力比結構CFBRB-1分別提高了22.1%、27.7%與16.6%；對于Y向的3組地震波加載作用下，結構CF-1的最大基底剪力比結構CFBRB-1提高的較少，主要是由于X、Y方向的支撐布置方式不同引起。

表4 8度地震作用下的基底最大剪力（kN）

4.4 連接單元滯回耗能

裝配式屈曲約束支撐在（Wen連接單元）結構中的耗能情況如圖9所示，可以看出，底層的裝配式屈曲約束支撐滯回環面積最大，隨著樓層的增加，滯回環面積逐漸減小。支撐布置時應根據樓層位置，選取合適參數的支撐，達到優化結構設計與降低成本的目的；鑒于此，從上述支撐參數布置情況可知，本工程首層的裝配式屈曲約束支撐選用設計屈服承載力為7 500 kN，中間層設計屈服承載力為3 000 kN，頂層設計屈服承載力為1 500 kN。裝配式屈曲約束支撐安裝完成如圖10所示。

圖9 X向Wen連接單元滯回耗能曲線

圖10 裝配式屈曲約束支撐安裝完成

5 結論

應用軟件SAP2000建立裝配式屈曲約束支撐結構模型與普通鋼支撐結構模型，進行了彈塑性時程分析，通過參數對比得出幾點結論：1）抽檢的裝配式屈曲約束支撐全部合格，實測屈服承載力不低于設計承載力，并且其滯回曲線飽滿圓潤，此為裝配式屈曲約束支撐在工程中的應用奠定基礎。2）在8度地震波X、Y方向的加載作用下，裝配式屈曲約束支撐降低主體結構地震響應優于普通鋼支撐，并且其結構的最大基底剪力小于普通鋼支撐結構，體現出裝配式屈曲約束支撐在結構中起到“保險絲”的作用。3）隨著樓層增加，裝配式屈曲約束支撐耗散能量降低，因此，建議應根據不同樓層選取合適的屈曲約束支撐參數，達到優化結構設計的同時也降低造價。