装配式屈曲约束支撑在北京某高层建筑中的应用研究

胡挺益，王振华

（1.华商国际工程有限公司，北京 100069；2.北京堡瑞思减震科技有限公司，北京 100070）

地震具有突发性、频率高以及对社会危害大等特点，是一种破坏力极大的自然灾害。强震下纯框架体系抗侧刚度较小，抗震能力不足，通常提高结构的抗震措施是通过单一的增加构件截面尺寸，这样不仅浪费资源，且工程应用性有限，故随之提出了支撑框架体系。余峰（2010）进行了纯钢框架、支撑框架结构以及防屈曲支撑框架结构振型分解反应谱分析，研究表明纯钢框架的抗侧刚度最小，水平位移最大。武娜等（2013）进行了防屈曲支撑加固既有框架结构，通过与空框架对比分析表明，附加防屈曲支撑显著提高框架结构的抗侧刚度，能提高既有框架结构的抗震能力。郭彦林等（2013）对纯钢框架、支撑钢框架以及剪力墙钢框架结构进行模态分析与动力时程分析，研究表明，强震作用下，纯钢框架的水平位移最大，支撑框架与剪力墙框架结构的水平位移相对较小，抗侧刚度明显提高。孔祥雄等（2010）进行了屈曲约束支撑框架结构和普通支撑框架结构的理论研究与子结构试验分析，研究表明，相比普通支撑，屈曲约束支撑增加结构的刚度、强度，提高结构的耗能能力更加明显。装配式屈曲约束支撑作为一种自主研发的新型耗能支撑，其具有降低造价成本、缩短工期等特点，且在框架结构的抗震加固改造中具有广阔的应用前景。故本研究应用有限元软件SAP2000对装配式屈曲约束支撑结构与普通支撑结构进行了弹塑性时程分析，对比了两种建筑结构在8度罕遇地震作用下的层间位移角和基底剪力的差异，以期为装配式屈曲约束支撑的实际推广应用提供理论指导。

1 工程概况

本研究项目位于北京市通州区，为北京市城市副中心的一组办公建筑，其总面积为49 840 m2，总高度56.5 m。地上建筑面积为36 285 m2，地上建筑设有办公、会议、机房、指挥大厅和职工宿舍等；地下建筑面积为13 555 m2，地下建筑设有车库、机房、厨房、食堂和汽车库等。项目的地上通过抗震缝分为三个结构单元：西配楼和南配楼层数为五层，其首层层高5.4 m，二层及以上层高为4.0 m；主楼层数为十四层，其首层层高为4.5 m，二层及以上层高为4.0 m。项目基础面以上采用钢框架—支撑结构，支撑采用装配式屈曲约束支撑；±0.000 m以下采用钢筋混凝土框架结构。基础采用平板式筏形基础。

2 消能减震方案设计

消能减震就是在结构的薄弱部位设置并安装耗能减震装置，在强震作用下，通过耗能装置的轴向拉压、剪切、扭转等进行弹塑性滞回耗能（景铭等，2017），吸收并耗散地震输入体系的能量，以降低主体结构的地震响应。消能减震装置繁多，大致可分为速度相关型与位移相关型阻尼器（廖述江等，2016），速度相关型的以粘滞阻尼器为代表，其通过速度相关作用给体系提供阻尼，但存在反应较慢，且容易出现漏油等问题。位移相关型的以金属阻尼器为代表，通过金属的剪切或屈服，达到耗散地震能量的作用。其中，屈曲约束支撑作为一种新型耗能器，解决了普通支撑受压屈曲现象，是目前被公认为性能最稳定的耗能减震装置之一。

2.1 装配式屈曲约束支撑的优势

屈曲约束支撑主要由芯材、外围约束构件与无粘结材料组成（谢伟等，2015）。然而，传统型屈曲约束支撑的外围约束构件为普通混凝土，混凝土的浇筑养护大大提高了支撑制作时间。该支撑实现了对外围约束构件的装配，即混凝土先灌注在弓形槽钢内养护完成，然后将其与芯材组装，并加插垫板，最后两侧盖板封焊外围钢管，完成支撑制作。该装配式屈曲约束支撑实现了工厂预制化，具有降低造价成本、缩短工期等优势，同时也大大降低了传统型屈曲约束支撑涨模风险和施工难度。

依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，对本工程提供的装配式屈曲约束支撑进行随机抽检检测（陈勇军等，2018），检测地点为清华大学结构工程结构实验室，检测设备为微机控制电液伺服液压试验台，试验照片如图1所示，主要检测参数包括装配式屈曲约束支撑的屈服荷载与荷载-位移曲线（赵俊贤等，2019），抽检的装配式屈曲约束支撑全部合格，检测结果如表1与图2所示，由表可知：装配式屈曲约束支撑屈服荷载的设计值与实测值基本保持一致，其中支撑型号BRB-7荷载-位移曲线饱满圆润，体现出其良好的耗能能力。

表1 装配式屈曲约束支撑检测结果

图1 装配式屈曲约束支撑构造现场试验照片

图2 型号BRB-7荷载-位移曲线

2.2 装配式屈曲约束支撑的力学模型

运用有限元软件SAP2000对结构体系进行弹塑性分析时，采用Bouc-Wen连接单元用以模拟装配式屈曲约束支撑，Bouc-Wen为一种改进的简化模型，是用滞变微分方程来描述光滑滞变恢复力的特点，其模型的恢复力公式为：

式中：d（t）——屈曲约束支撑轴向变形；v——速度；z（t）——Bouc-Wen光滑滞回位移，取决于构件本身结构特性以及材料特性；α，β，A，n——描述滞回环形状的参数。

2.3 装配式屈曲约束支撑的布置

装配式屈曲约束支撑宜布置于结构的薄弱部位，从而最大限度地发挥支撑耗能作用（杜永山等，2019）。常见的支撑布置形式有：单斜向、菱形、X字形、K字形、人字形以及倒人字形等。杨艳敏等（2019）指出，单斜向与人字形为目前工程应用中最常见的布置方式。装配式屈曲约束支撑性能参数如表2所示，依据屈服力的不同，将支撑划分为11种编号，沿底层向顶层连续布置，并且支撑的屈服力沿楼层增加而减小，每层布置14根，共布置15层，平面布置如图3所示，图中以矩形框表示支撑布置位置，其中中间跨支撑布置形式为单斜向，其余跨布置为人字形。支撑立面布置模型如图4所示，对比模型为普通钢支撑结构，普通钢支撑的截面为箱形，其弹性刚度与装配式屈曲约束支撑的保持一致，且各层钢支撑布置形式与装配式屈曲约束支撑结构保持一致。普通钢支撑结构模型编号为CF-1，装配式屈曲约束支撑结构模型编号为CFBRB-1。

图3 装配式屈曲约束支撑布置

图4 支撑立面布置模型

表2 装配式屈曲约束支撑性能参数

3 抗震设防标准与地震波选择

本项目地处北京市通州区，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，以下简称《抗规》）（2016版），抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2 g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅲ类，特征周期：多遇地震的周期在0.55 s以内，罕遇地震（8度地震）的周期在0.60 s以上。

《抗规》5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%（李建亮等，2011）。为此，应用软件SAP2000进行结构减震分析时，采用第五代区划图参数，选取3组地震波，选取为1条人工波（ArtWave-RH1TG055波）与2条天然波（TH1TG065波与TH4TG045波），并进行弹性时程分析，分析表明每条时程计算的结构底部剪力不小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，即所选地震波满足规范要求，3条地震波曲线如图5所示。

图5 地震波曲线

4 结果分析

4.1 周期对比

两种结构的周期对比如表3所示，可知，装配式屈曲约束支撑结构的自振周期小于普通钢支撑结构，说明装配式屈曲约束支撑提高结构刚度能力略高于普通钢支撑结构。

表3 两种结构自振周期对比

4.2 层间位移角对比

在8度地震X向地震波加载作用下，普通钢支撑结构与装配式屈曲约束支撑结构各层最大层间位移角如图6所示，由图6可看出，3组地震波下，结构CF-1的最大层间位移角为1/72，结构CFBRB-1的最大层间位移角为1/86，均小于规范限值1/50。结构CFBRB-1的最大层间位移角均小于普通支撑结构CF-1，楼层为6～15层时，层间位移角差值更大，最大相差分别为19.3%、14.1%与9.1%，说明顶层布置装配式屈曲约束抑制层间位移角大小的效果明显优于普通钢支撑。

图6 X向层间位移角

在8度地震Y向地震波加载作用下，普通钢支撑结构与装配式屈曲约束支撑结构各层最大层间位移角如图7所示，由图7可看出，两种结构底层的层间位移角大小基本保持一致，当楼层较高时，装配式屈曲约束支撑结构的层间位移角更小，比普通钢支撑结构减小了分别为11.7%，13.2%与16.5%，说明布置装配式屈曲约束支撑能明显提高结构的抗震性能，并且两种结构最大层间位移角均小于规范限值1/50。

图7 Y向层间位移角

4.3 基底剪力对比

两种结构楼层的X、Y向剪力对比如图8所示。由图8可看出，两种结构在X向底层剪力的差值大于Y向，原因在于装配式屈曲约束支撑耗散部分地震输入能量，减小主体结构地震响应，从而减小层间剪力，在8度地震作用下，主体结构地震响应降低不明显，主要由于普通钢支撑受压易屈曲失稳退出工作。

图8 楼层最大剪力

8度地震作用下的基底最大剪力如表4所示，可知，结构CF-1的最大基底剪力均大于结构CFBRB-1，说明了装配式屈曲约束支撑能明显降低结构的地震响应。在X向的3组地震波加载作用下，结构CF-1的最大基底剪力比结构CFBRB-1分别提高了22.1%、27.7%与16.6%；对于Y向的3组地震波加载作用下，结构CF-1的最大基底剪力比结构CFBRB-1提高的较少，主要是由于X、Y方向的支撑布置方式不同引起。

表4 8度地震作用下的基底最大剪力（kN）

4.4 连接单元滞回耗能

装配式屈曲约束支撑在（Wen连接单元）结构中的耗能情况如图9所示，可以看出，底层的装配式屈曲约束支撑滞回环面积最大，随着楼层的增加，滞回环面积逐渐减小。支撑布置时应根据楼层位置，选取合适参数的支撑，达到优化结构设计与降低成本的目的；鉴于此，从上述支撑参数布置情况可知，本工程首层的装配式屈曲约束支撑选用设计屈服承载力为7 500 kN，中间层设计屈服承载力为3 000 kN，顶层设计屈服承载力为1 500 kN。装配式屈曲约束支撑安装完成如图10所示。

图9 X向Wen连接单元滞回耗能曲线

图10 装配式屈曲约束支撑安装完成

5 结论

应用软件SAP2000建立装配式屈曲约束支撑结构模型与普通钢支撑结构模型，进行了弹塑性时程分析，通过参数对比得出几点结论：1）抽检的装配式屈曲约束支撑全部合格，实测屈服承载力不低于设计承载力，并且其滞回曲线饱满圆润，此为装配式屈曲约束支撑在工程中的应用奠定基础。2）在8度地震波X、Y方向的加载作用下，装配式屈曲约束支撑降低主体结构地震响应优于普通钢支撑，并且其结构的最大基底剪力小于普通钢支撑结构，体现出装配式屈曲约束支撑在结构中起到“保险丝”的作用。3）随着楼层增加，装配式屈曲约束支撑耗散能量降低，因此，建议应根据不同楼层选取合适的屈曲约束支撑参数，达到优化结构设计的同时也降低造价。