屈曲约束支撑在某超高层中的应用

吕超力

(厦门新区建筑设计院有限公司 福建厦门 361000)

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程为一栋商住综合办公楼，主塔楼三十一层，裙房十四层，第三层层高10m，其余楼层为5m，结构总高度为160m。设两层地下室，层高分别为5.75m和3.8m。主塔楼标准层见(图1)，建筑效果图见(图2)。

1.2 地震作用

本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。地震动参数取值见(表1)。

表1 地震动参数取值

1.3 结构体系布置

图1 主塔楼标准层

本工程为钢筋混凝土框架-核心筒结构。主塔楼平面尺寸约为36m×35m，主塔楼核心筒平面尺寸为15m×14.6m，裙楼平面尺寸约为80m×49m。结构计算取地下室顶板为嵌固端，嵌固端以上结构计算高度为160m，为B级高度的超限高层[2]。主塔楼高宽比为4.6，核心筒高宽比为11。结构构件抗震等级:框架与筒体均为一级，底部加强区以及体型收进部位上、下各2层竖向构件抗震等级为特一级[2]。

主塔楼核心筒主要墙厚800～350，底部加强区核心筒主要约束边缘构件内均设置型钢。主塔楼外框柱13层以下为型钢混凝土柱，截面尺寸为1300×1300，型钢面积取截面积的5%。13层以上为钢筋混凝土柱，截面尺寸1300×1300～900×900。主塔楼核心筒连梁高 900，外框架与核心筒连接主梁截面为400×1200，边框梁截面为500×1200。结构标准层布置图见(图3)。

图2 建筑效果图

图3 结构标准层布置图

2 屈曲约束支撑简介及布置

2.1 屈曲约束支撑的优越性及在本工程中的应用

屈曲约束支撑是在受拉与受压情况下都能达到承载全截面屈服的轴向受力构件[3]，其最大优点是自身的承载力与刚度的分离。普通支撑因需要考虑其自身的稳定性，使截面和支撑刚度过大，从而导致结构的刚度过大，这就间接地造成地震力过大，形成了不可避免的恶性循环。选用防屈曲支撑，即可避免此类现象，在不增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力的要求[4]。

根据屈曲约束支撑的特点，其在本工程中能得到很好的应用:

1)结构核心筒高宽比过大，抗侧刚度难以满足要求，采用加大结构断面、增加配筋来抵抗地震，结果是断面越大，刚度越大，地震作用也越大，经济性欠佳。在小震下，屈曲约束支撑具有足够的初始刚度，处于弹性状态，可为结构提供侧向刚度以满足使用要求。

2)本工程属于7度设防区，地震作用大，地震作用对结构起控制作用，且本工程竖向刚度突变，同时平面形状不规则，在地震下有较为不利的影响。屈曲约束支撑在大震作用下则可起到结构消能器的作用，提高结构的整体抗震性能，且其合理布置可减小结构的不规则性。

2.2 支撑布置方案

本工程屈曲约束支撑平面布置在外框柱与内核心筒之间，增强外框柱与核心筒的协同作用。竖向布置位于结构层间位移角较大的楼层，以充分发挥支撑小震下提供刚度，大震下耗能的作用。支撑形式为V字型。

屈曲约束支撑主要集中设置于主塔楼16～26层处，裙楼顶部三层局部为单榀框架，该处也设置了少量支撑，以增加结构冗余度。本文主要介绍位于主塔楼范围内的支撑，主要支撑竖向布置如(图4)所示，平面布置如(图5)所示。

支撑布置总数量及参数统计见(表2)。

图4 支撑布置剖面图

表2 主要支撑布置情况及参数一览表

图5 支撑布置平面图

3 分析计算结果

本工程使用SATWE及Gen进行结构在不同地震烈度下的整体分析。计算模型为整体的三维有限元模型。

3.1 小震弹性分析计算结果

小震使用PKPM系列软件SATWE进行振兴分解反应谱分析。布置支撑的楼层及竖向收进处采用弹性楼板，其余楼层均采用刚性板假定。小震下，未设支撑原方案和屈曲约束支撑方案的主要结构计算结果对比详见(表3)。

根据(表3)结果对比可以得知，在多遇地震下，Y方向最大层间位移角有较大变化，采用屈曲约束支撑减震结构较原结构方案层间位移减小了14%，满足规范层间位移角的限值要求1/750。主要周期及基底剪力与原结构相比变化不大，差值在5%以内。可见在本工程中，屈曲约束支撑为结构提供抗侧移刚度的同时，可保证原结构的地震作用基本不变。

(图6、图7)给出了带BRB支撑减震结构模型和原结构计算模型小震下各层层间位移角对比。结果表明，在小震作用下两个方向的最大层间位移角均小于1/750，满足现行抗震规范要求。Y方向在加设屈曲约束支撑后的楼层，其层间位移角较原结构均有10%以上的降低效果，且15～16层位置的竖向刚度突变明显减小，上部塔楼层间位移变得更均匀。

表3 屈曲约束支撑方案主要计算结果的对比

图6 X向层间位移角对比

图7 Y向层间位移角对比

3.2 大震PUSHOVER分析

大震采用Midas系列软件 Gen进行PUSHOVER分析。各构件的塑性铰设置为:框架梁两端设置缺省的自动弯曲M3铰本构模型;柱顶和柱底设置缺省的PMM铰本构模型;剪力墙设置缺省的自动墙铰本构模型;支撑根据屈曲约束支撑特性自定义支撑P铰本构模型。支撑塑性铰具体设置参数详见(图8)。

3.2.1 大震下抗倒塌验算

经过计算，在罕遇地震作用下，X向最大层间位移在第三层，为22.16mm，层间位移角1/289。Y方向最大层间位移在第三层，为27.16mm，层间位移角1/235。大震下层间位移角最大值均位于结构10m层高的第三层，该层为结构薄弱层。

3.2.2 大震作用下塑性铰发展情况

图8 屈曲约束支撑塑性铰设置参数

在X方向、Y方向结构模型上的静力弹塑性分析过程中，结构的塑性铰首先出现在屈曲约束支撑上，即屈曲约束支撑已开始进入耗能状态。随后底部剪力墙和部分梁端出现塑性铰。最后仅少量框架柱上才出现塑性铰。从进入屈服状态的构件来看，大部分屈曲约束支撑在性能点位置都进入耗能阶段，而只有少部分梁柱构件及底部剪力墙出现塑性铰，这说明屈曲约束支撑是结构耗能的一种主要构件，同时整体结构满足强柱弱梁的要求，框架柱作为抗震的第二道防线，基本不出现塑性铰，形成合理的整体型结构屈服机制。结构位于性能点时塑性铰图详见(图9)。值得注意的是底部加强部位以及裙房剪力墙破坏较为严重。

图9 带支撑减震结构大震性能点杆端塑性铰图

选取Y向屈曲约束支撑在pushy工况的轴力-变形关系，如(图10)所示。从图中可以看出，屈曲约束支撑按设计的屈服荷载和屈服位移，在结构较小的变形情况下即进入了屈服，成为结构主要耗能构件。

图10 16层Y向BRB(250T)轴力－变形曲线(kN－mm)

4 抗震性能总体评价

1)通过小震计算，在本工程中，屈曲约束支撑可提高原结构的刚度，且结构的地震作用基本不变。相较传统增大构件截面的方法提高结构刚度具有更好的经济性，且其布置灵活，可以减小结构的不规则性。

2)在罕遇地震作用下，对布置有屈曲约束支撑的模型，结构的整体变形不超过规范限值，屈曲约束支撑在结构较小的变形情况下即进入了屈服，成为结构主要耗能构件。结构的最大层间位移角超过了抗规中性能3的标准。

3)剪力墙底部加强区是整个结构的薄弱环节，尤其是刚度较弱的第三层，应进行进一步的性能设计。

[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3-2010，高层民用建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]郭彦林，刘建彬，蔡益燕，等.结构的耗能减震与防屈曲支撑[J].建筑结构，2005，8:18-23.

[4]周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.