屈曲约束支撑在大同客运东站工程中的应用

孙 晓 霞

(大同市建筑设计研究院，山西 大同 037006)

根据住房和城乡建设部2014年文件，要有序推进建筑工程应用减隔震技术，确保工程质量。位于抗震设防烈度8度以上地震高烈度区、地震重点防御区或灾后重建阶段的新建3层以上学校、幼儿园、医院等人员密集公共建筑，应优先采用减隔震技术；鼓励重点设防类、特殊设防类建筑和位于抗震设防烈度8度以上高烈度区的建筑采用减隔震技术。山西省全省77%的面积属于高烈度区，尤其大同、朔州、忻州为重点危险区，因此山西省提出了更高的要求，对于抗震设防烈度8度的地区、地震重点危险的地区学校和幼儿园的新建的教学用房、学生宿舍、学生食堂以及医院的新建医疗建筑，必须采用减隔震技术；重点设防类、特殊设防类建筑，优先采用减隔震技术；标准设防类建筑，提倡采用减隔震技术。现在减隔震技术在山西省已得到一些应用，但在大同应用的并不多。2015年《中国地震动参数区划图》修订，2016年8月，《建筑抗震设计规范》修订，大同城区、矿区、南郊区、大同县的抗震设防烈度都提高到了8度，因此抗震设计中减隔震技术的推广形势十分严峻。

结构在地震作用下会产生振动，过大的结构振动不仅会影响它的正常使用，还会造成主体结构的破坏，甚至倒塌。为了保护人们生命财产安全，减轻地震灾害，各国的土木工程技术人员致力于提高结构的抗震能力的研究，并且形成了一套完整的抗震设计理论。主要是通过增加结构自身刚度、强度和延性的方法，使设计的结构满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防要求，结构处于被动抵御地震的状态。屈曲约束支撑(Buckling Restrained Braces,简称BRB)是一种新型的，不同于传统支撑的支撑构件。它利用钢材宏观上发生轴向拉压塑性变形来消耗地震能量的耗能减震装置，同时受到轴力的时候不会发生屈曲失稳，所以跟传统的支撑相比，耗能能力提高很多，使用了屈曲约束支撑的结构体系的抗震性能都得到了很大的提升。所以，屈曲约束支撑适用于大跨度结构、高层结构和现有结构的加固改造工程，在这些工程中它的优良性能对结构安全性的提高得到很好地体现。因此，深入开展对于屈曲约束支撑构件及其结构体系的研究，为工程提供经验，从而进一步推广使用就成为非常有意义的工作。

屈曲约束支撑由两部分组成，一是外围约束，二是承受轴力的钢支撑内核芯材，两者之间通过填充砂浆或者混凝土来达到外围约束对内核芯材的约束作用，防止内核芯材受压屈服。混凝土和钢支撑内芯之间通过润滑材料分开，以使钢支撑的内芯能够在混凝土中产生滑动。在地震作用下，支撑的内芯主要承担主体结构受到的水平地震力，而约束构件仅对支撑的受压屈服提供限制，从而使屈曲约束支撑在拉压两个方向都接近二力杆受力。外围的约束套管是由钢板、钢管或钢筋混凝土空心管组成，钢支撑内芯是由低屈服点的钢材制作而成，分为核心段、过渡段、连接段三部分。其中核心段使屈曲约束支撑是受力最关键的区域，全长都被外围约束结构包裹着。核心段的截面形式多种多样，主要有一字型、十字型、工字型等，而以十字型最为普遍。

屈曲约束支撑设置的部位应能最大限度地发挥它的耗能作用，同时又不能影响建筑的使用功能，而且还要能满足结构整体受力的需要。屈曲约束支撑可以按照下面原则布置：

1)地震作用下产生较大层间位移的楼层。

2)地震作用下产生较大结构内力的部位。

3)宜沿着结构的两个主轴方向分别设置。

4)可采用单斜撑、人字型、V字型布置，也可以采用偏心支撑布置。当采用偏心支撑布置时，应保证支撑先于框架梁屈服。

屈曲约束支撑制作精度要求较高，需要专门的厂家制作，安装，使用中后期维护，并有严格的产品制作和验收标准。

1 大同客运东站工程概况

大同汽车客运东站位于山西省大同市御东新区，为新建汽车站，用地周边比较空旷，用地北侧为规划路，东侧为文瀛湖引水渠，南侧为北环路。

项目总占地面积161 109.35 m2(约241.66亩)，其中汽车站用地面积140 538.41 m2(约210.8亩)，代征道路用地面积20 570.94 m2(约30.86亩)。

项目为一级汽车站，建筑占地面积15 341.5 m2，总建筑面积34 150.89 m2(其中地上建筑面积33 621.39 m2，地下建筑面积529.5 m2)。由客运综合楼、综合办公楼、例检洗车、修理车间、加油加气站等五组建筑组成。其中，客运综合楼功能复杂、体形较大、结构形式多样，具体分区见图1。

1)基本风压(50年一遇)：Wo=0.55 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

2)基本雪压(50年一遇)：So=0.25 kN/m2。

3)抗震设计标准。

本工程场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g(第二组)。

建筑抗震设防类别：客运综合楼为重点设防类。

4)本工程结构设计使用年限50年。

候车大厅(A3区)具体情况如下：

结构形式采用钢筋混凝土框架结构。框架抗震等级为一级(大跨度公共建筑)，候车厅大跨度拟采用预应力钢筋混凝土梁。布置了屈曲约束支撑的空间模型见图2。

2 抗震设计及问题

按抗震规范要求，需加强结构整体性分析与计算。

1)采用有限元分析与设计软件SATWE进行结构分析计算，考虑竖向地震力和偶然偏心以及平扭耦连，充分考虑扭转效应，振型数达到18个，振型有效质量大于90%。

2)设置六道柱间屈曲约束支撑，根据建筑功能要求，本工程屈曲约束支撑主要布置在建筑的四个边。从而增大整体结构抗扭刚度，有效减小了平面扭转的问题；提高结构耗能能力和延性能力，改善了结构抗震性能。

本工程采用PKPM-SATWE进行结构整体分析，对结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形分析采用线性静力方法进行。

计算结果各项控制指标均在现行规范容许范围之内，构件基本无超筋现象。客运综合楼A3区的整体分析部分结果如表1所示。

表1 客运综合楼A3区SATWE计算结果

3 结语

通过结构在地震作用下的分析，可以得出如下结论：

1)本工程采用PKPM软件进行多遇地震作用下，结构周期、层间位移角、位移比、刚重比等主要结构力学指标的计算，结构的主要指标数值均在合理范围内，符合抗规及高规的要求。屈曲约束支撑承担了约20%的基底剪力，很好地起到第一道防线的作用，从而增加了结构在地震作用下的可靠性。屈曲约束支撑既能在小震阶段为结构提供抗侧刚度，也能在中震、大震作用下耗能，从而为整体结构提供了附加阻尼，减轻主体结构的震害。

2)抗震性能分析结果表明，通过合理地布置屈曲约束支撑，选用合理的设计参数，可以实现设置屈曲约束支撑框架达到在小震作用下主体结构完好、在中震作用下轻微损坏可修、在大震作用下中等破坏不倒的抗震性能目标。

3)屈曲约束支撑在大震阶段耗能效果明显，构件设计时要重视核心单元材料的选取，从而确保屈曲约束支撑的塑性变形能力和耗能能力。

在结构设计时，设计人员应重视结构体系的选择，并应做详细的技术经济分析，以确保结构的受力体系的合理性。选用屈曲约束支撑，能为主体结构提供地震时的耗能能力，从而减小结构主体受到的地震力，为结构提供了类似“保险丝”的功能。该工程在地震作用下的结构反应与预期相符，并且满足规范的要求。本工程结构选型合理，受力明确，大震作用下结构的安全性大大提高，可为高烈度地区的类似工程提供较好的借鉴作用。