约束屈曲支撑-混凝土框架结构体系的分析

王佳佳　孙　超

（航天长征化学工程股份有限公司　北京　101111）

1　引言

煤气化装置中由于工艺布置的特点等因素，较多的装置厂房结构采用钢支撑-混凝土框架结构体系。震害经验表明，单一抗侧力结构体系的破坏程度往往高于双重抗侧力结构体系，钢支撑-混凝土框架结构体系属于双重抗侧力结构体系。在地震作用下，钢支撑形成结构的第一道防线，混凝土框架为第二道防线，满足结构抗震计算中多道设防的要求。屈曲约束支撑是一种既可以为结构提供较大抗侧刚度和承载力，又可以通过钢材屈曲耗散地震能量以保护主体结构的优良抗震构件。在煤气化装置中采用屈曲约束支撑-混凝土框架结构体，将极大的提高结构的延性和抗连续倒塌的能力，采用屈曲约束支撑的结构体系，可以全面实现抗震设防三水准“小震不坏、中震可修、大震不倒”的性能目标要求。本文将着重论述屈曲约束支撑-混凝土框架结构形式在高烈度地区抗震性能。

2　约束屈曲支撑的工作原理

屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或BRB（Buckling restrained brace），日本及美国等过在该领域都进行立大量的试验研究和工程设计应用。研究结果及实际应用效果表明，屈曲约束支撑在弹性阶段可以为结构提供很好的刚度和充分的承载力，在弹塑性阶段可以起到较好的耗能减震的作用。

屈曲约束支撑一般有内部核心部件与外包构件组成，使支撑构件在反复荷载作用下屈服而不屈曲。内部核心构件一般由延性较好的低屈服点钢材组成，外包构件有钢结构或混凝土结构组成。

屈曲约束支撑是一种无论受拉还是受压都能达到全截面屈服的轴向受力构件。为避免芯材受压时整体屈曲，使其在受拉和受压时都能达到屈服，在套管内灌注填料来约束芯材，保证芯材不会发生面外失稳。因此，屈曲约束支撑在受压和受拉时具备同样的刚度和承载力。

与普通钢支撑相比，屈曲约束支撑具有以下特点：

（1）刚度和承载力的可设计性更强：普通钢支撑的刚度往往由稳定性控制，从而导致其承载力可设计性不强；而屈曲约束支撑的承载力可以完全由截面大小来确定，不必考虑截面过小而引起的稳定性问题。

（2）避免人字型支撑中的剪力不平衡：以往的震害表明，普通钢支撑以人字形布置时，在不发生失稳时，人字撑两端带给上部结构梁的合力方向为水平向；但当受压一侧支撑由于丧失承载力时，会带给上部结构梁额外的剪力，造成梁剪切破坏。

（3）提供更大的变形能力和更优的低周疲劳性能：屈曲约束支撑芯材为高性能软钢，具有更大的变形能力和底周疲劳性能。

（4）提供稳定的滞回耗能能力，消能减震：屈曲约束支撑是一种位移型阻尼器，芯屈服后可以提供很强的滞回耗能能力，为结构提供附加阻尼，从而减小地震作用。

3　约束屈曲支撑抗震性能分析

本文以实际工程为背景，着重研究约束屈曲支撑-混凝土框架的抗震性能。

3.1　工程概况

该装置为煤气化装置中的渣及灰水装置，该装置结构形式为混凝土框架结构，抗震设防分类为乙类；抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度为0.2g；设计地震分组为第一组；建筑场地类别为Ⅲ类；设计特征周期值0.45s；结构抗震等级为一级。

该装置为地上四层现浇钢筋混凝土结构，建筑总高度30.5m，应工艺流程布置的要求，建筑层高分布不均匀，楼板存在较大开孔，质量分布不均匀，楼层平面长宽比较大，结构布置属于特别不规则建筑。

3.2　方案选型

本工程拟采用两种不同的结构形式，对比分析结构的优缺点，采用更合理的结构形式以满足工程需求。分别选取混凝土框架和采用屈曲约束支撑-混凝土框架结构。分别对混凝土框架和采用屈曲约束支撑-混凝土框进行多遇地震下的弹性计算分析和罕遇地震作用下的弹塑性计算分析。

4.破膜引苗 播种12—15天左右，幼苗长出2—3片真叶，且幼苗叶片顶膜后及时破膜引苗。不及时破膜会造成烧苗现象。

3.3　屈曲约束支撑的布置原则

屈曲约束支撑布置位置在满足工艺流程的前提下应布置在其能最大限度的发挥耗能作用的位置：

（1）地震作用效应较显著的位置。

（2）地震作用楼层层间位移较大的楼层。

（3）约束屈曲支撑应沿两个受力主轴分别布置。

采用屈曲约束支撑时，宜采用人字形支撑，成对布置的单斜杆支撑形式，不应采用K形或X形，支撑与柱夹角宜在35～55°之间[1]。

3.4　地震波输入

对不规则结构进行时程分析时，应选取不少于三组加速度时程曲线。并应按建筑场地类别和设计地震分组采用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于2/3[1]。

模型进行时程分析计算时，主分量峰值加速度取400cm/s2，主分量峰值加速度、次分量与竖直分量的加速度的比值为1：0.85：0.65。

3.5　阻尼的选取

阻尼比在结构工程领域是结构动力学的一个重要概念，指阻尼系数与临界阻尼系数之比。对于结构基本处于弹性状态的情况，结构的阻尼比一般取0.045，或按混凝土遇钢支撑不同材料分别采取不同的阻尼比；在罕遇地震作用下弹塑性分析阻尼比取0.05。

3.6　控制参数的选取

屈曲约束支撑-混凝土框架在多遇地震作用下，结构弹性层间位移角限制宜控制在1/600～1/700；罕遇地震作用下结构弹性层间位移角限制宜控制在1/80[4]。

3.7　抗震验算对比分析

对混凝土框架、屈曲约束支撑-混凝土框架两个模型进行多遇地震及罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析后，就结构周期、间位移角做简要对比分析，阐述屈曲约束支撑对混凝土框架抗震性能的改善。

3.7.1结构周期对比分析

由于结构平面长宽比较大，结构质量分布不均匀，质量中心与结构刚度中心不重合，使混凝土框架结构扭转明显；通过布置屈曲约束支撑，通过调整支撑布置，使结构质量中心与结构刚度中心趋于重合，很好的改善了结构的扭转效应，使结构受力趋于合理（见表1）。

3.7.2层间位移角对比分析

多遇地震作用下计算结果表明，设置屈曲耗能支撑明显提高结构抗侧刚度，层间位移角降低约20%（以首层为例），使结构设计满足抗震设计要求；罕遇地震作用下计算结果表明，屈曲支撑设置有效的降低了层间位移，层间位移角降低约41%（以首层为例），较好的控制了结构的变形。

表1　周期对比分析

表2　层间位移角对比分析

4　结论与建议

煤气化厂房采用屈曲约束支撑-混凝土框架在多遇及罕遇地震作用下均具有良好的抗震性能。通过对比分析混凝土框架结构与屈曲约束支撑-混凝土框架表明：

（1）设置屈曲约束支撑后，可以有效的调整由于工艺布置原因带来的结构质量中心与刚度中心不重合而导致结构扭转的问题，改善混凝土框架的抗震性能。

（2）设置屈曲约束支撑后，框架结构的整体抗侧刚度显著提高，弹性及弹塑性层间位移角明显降低。

屈曲约束支撑-混凝土框架在煤气化装置中具有良好的应用前景。