邯鄲市科技中心屈曲約束支撐設計應用

余 鈺

(河北建筑設計研究院有限責任公司，河北 石家莊 050011)

1 概述

屈曲約束支撐體系技術發明于20世紀80年代早期，日本、美國對這種技術進行了大量的研究試驗和應用。1995年神戶地震后，屈曲約束支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地震后，美國也開始接受這種結構體系。屈曲約束支撐是一種集承載和耗能為一體的耗能結構構件，就日本等成熟的減隔震市場來看，由于優良的性價比，屈曲約束支撐的應用量一般占到減隔震行業應用總量的40%左右[1]。在國內，屈曲約束支撐主流應用在新建建筑中，在抗震加固中也有應用。在河北省，應用屈曲約束支撐的項目有：石家莊勒泰中心、北國商城西擴工程、河北建筑設計研究院辦公樓加固、河北省圖書館加固[2]等。總的來說，屈曲約束支撐在河北省內應用較少。

本文結合邯鄲市科技中心項目，采用YJK軟件和ETABS軟件進行了多遇地震下結構的振型分解反應譜分析，采用ETABS軟件進行了多遇地震下彈性時程分析和罕遇地震下的彈塑性時程分析，通過對地震響應的分析比較，總結了框架-剪力墻結構應用屈曲約束支撐的工程經驗。

2 工程概況

邯鄲市科技中心位于邯鄲市叢臺區，項目總用地3.91 hm2，總建筑面積16.39萬m2，于2017年建成。結構抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組第二組,建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.55 s。該項目地下3層車庫連為一體，地上主樓和展館分為兩個獨立單體。地下室頂板作為主樓的嵌固部位,本文以主樓地上部分為研究對象。主樓地上25層,1層層高5.8 m，2層層高5.5 m，3層、25層層高4.0 m，4層～24層層高3.8 m，主體高度99.2 m。主樓效果圖見圖1。

邯鄲市科技中心項目在當地具有科技示范作用，屈曲約束支撐作為結構減震技術的一種，有一定的科技含量，將其用在該項目中是恰當的[3-4]。根據計算結果，綜合考慮到工程造價與減震效果，本項目在結構2層～6層設置了屈曲約束支撐，7層～24層設普通鋼支撐。支撐平面布置如圖2所示，支撐布置在主樓四角。

3 多遇地震作用下振型分解反應譜法分析

采用YJK軟件和ETABS軟件分別建立主樓地上計算模型。主樓為框架-剪力墻結構，為實現建筑立面的分格效果，結構四周不允許設置剪力墻，當結構四周不設剪力墻且不設支撐時，結構主要周期見表1，結構的扭轉周期比為0.98，不滿足規范限值不大于0.9的要求[5]。

表1 不設支撐時結構主要周期統計表

主樓四角設置支撐后，結構的主要計算指標見表2，扭轉周期比減小到0.89，滿足規范不大于0.9的要求。建模時普通鋼支撐簡化為兩端鉸接的斜桿，屈曲約束支撐簡化為非線性連接單元(Wen)。因實際施工過程中，主樓澆筑混凝土時預埋支撐的連接節點板，待主體結構施工完成后安裝支撐，所以軟件施工模擬計算時指定支撐構件的施工次序為主體結構完成之后。由表2可知，YJK軟件和ETABS軟件分析結果比較接近，沒有出現原則性沖突或矛盾，各項指標均在工程判斷及JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程和GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)要求的范圍內，說明結構模型選擇合適，分析結果可信，結構設計基本合理。

表2 彈性反應譜法主要計算結果

4 多遇地震作用下彈性時程分析

彈性時程分析作為振型分解反應譜法的重要補充，用在特別不規則的建筑、甲類建筑、復雜高層建筑和高度較高的高層建筑。進行時程分析時，不同地震波的分析結果不同，正確選擇輸入的地震加速度時程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續時間均要符合規定。采用ETABS軟件進行多遇地震作用下彈性時程分析，共采用兩條天然波(Taft波、CPC波)和一條人工波進行計算，三條波的峰值加速度都調整到55 cm/s2，其加速度最大值按1(X向)∶0.85(Y向)的比例輸入雙向地震作用，三條波的波形圖分別見圖3～圖5，三條波的波譜圖見圖6，三條波的有效持時均大于結構基本周期的5倍值。

主樓結構平面基本對稱，本課題僅對結構平面的X向輸入地震波進行計算，主要計算結果見表3。由計算結果可知，彈性時程分析選用的地震波符合規范要求，Taft波的計算結果與彈性反應譜法最為接近，Taft波計算所得的底部剪力和最大層間位移角均大于彈性反應譜法的計算結果，為包絡值，計算結果均滿足規范限值要求。

表3 彈性時程分析主要計算結果

5 罕遇地震作用下彈塑性時程分析

采用ETABS軟件進行罕遇地震作用下彈塑性時程分析，屈曲約束支撐在分析中利用Wen塑性單元模擬，典型Wen模型的滯回模型見圖7，屈服后剛度比取0.03，屈服指數取5。普通鋼支撐采用程序默認的軸力鉸，框架梁和連梁兩端采用程序默認的彎矩鉸，框架柱兩端采用程序默認的P-M-M鉸。進行彈塑性分析時，考慮了材料非線性和施工過程非線性，設置結構自身阻尼采用Rayleigh阻尼，并按振型阻尼比為5%確定阻尼參數。地震波的峰值加速度調整到310 cm/s2。

為了比較屈曲約束支撐布置在不同位置時的減震效果，共采用了3種結構布置方案。方案一：所有支撐均為普通鋼支撐；方案二：所有支撐均為屈曲約束支撐；方案三：在結構2層～6層布置屈曲約束支撐，其他層為普通鋼支撐。人工波的彈塑性時程分析主要結果見表4。

表4 彈塑性時程分析主要計算結果

由上述計算結果可知，三種方案罕遇地震作用下的最大層間位移角均滿足規范限值1/100的要求，三種方案的最大層間位移角的樓層分布與數值接近，說明本工程采用屈曲約束支撐與普通鋼支撐對大震時的層間位移角結果影響較小。方案一底部剪力最大，方案二底部剪力最小，方案三的底部剪力略小于方案二，說明屈曲約束支撐在罕遇地震作用下起到了耗能作用。綜合考慮工程造價和減震效果，選用了方案三。

屈曲約束支撐在罕遇地震下能否起到耗能的作用，與支撐的屈服力有關系。如果支撐的屈服力太高，則罕遇地震作用下支撐的軸力可能小于屈服力，此時支撐處于彈性狀態，起不到耗能的作用。屈曲約束支撐的屈服力也不能太低，太低的話罕遇地震下支撐過早破壞也不能持續起到耗能作用。結構設計時應合理選取屈曲約束支撐的屈服力，以充分發揮其耗能作用。選取某屈曲約束支撐的滯回曲線如圖8所示，說明該屈曲約束支撐隨地震波多次往復，進入塑性階段，起到了耗能作用。

6 結語

邯鄲市科技中心主樓采用框架-剪力墻結構，在主樓四角設置了屈曲約束支撐和普通鋼支撐可以增加結構抗扭剛度，且滿足建筑立面的要求。經多遇地震作用下振型分解反應譜分析和彈性時程分析，以及罕遇地震作用下彈塑性時程分析，該結構層間位移角等指標滿足規范要求，采用屈曲約束支撐和普通鋼支撐相結合的布置方案經濟合理，屈曲約束支撐在罕遇地震下起到了耗能作用。