邯郸市科技中心屈曲约束支撑设计应用

余 钰

(河北建筑设计研究院有限责任公司，河北 石家庄 050011)

1 概述

屈曲约束支撑体系技术发明于20世纪80年代早期，日本、美国对这种技术进行了大量的研究试验和应用。1995年神户地震后，屈曲约束支撑体系在日本被大量使用。1994年北岭地震后，美国也开始接受这种结构体系。屈曲约束支撑是一种集承载和耗能为一体的耗能结构构件，就日本等成熟的减隔震市场来看，由于优良的性价比，屈曲约束支撑的应用量一般占到减隔震行业应用总量的40%左右[1]。在国内，屈曲约束支撑主流应用在新建建筑中，在抗震加固中也有应用。在河北省，应用屈曲约束支撑的项目有：石家庄勒泰中心、北国商城西扩工程、河北建筑设计研究院办公楼加固、河北省图书馆加固[2]等。总的来说，屈曲约束支撑在河北省内应用较少。

本文结合邯郸市科技中心项目，采用YJK软件和ETABS软件进行了多遇地震下结构的振型分解反应谱分析，采用ETABS软件进行了多遇地震下弹性时程分析和罕遇地震下的弹塑性时程分析，通过对地震响应的分析比较，总结了框架-剪力墙结构应用屈曲约束支撑的工程经验。

2 工程概况

邯郸市科技中心位于邯郸市丛台区，项目总用地3.91 hm2，总建筑面积16.39万m2，于2017年建成。结构抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组第二组,建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期Tg=0.55 s。该项目地下3层车库连为一体，地上主楼和展馆分为两个独立单体。地下室顶板作为主楼的嵌固部位,本文以主楼地上部分为研究对象。主楼地上25层,1层层高5.8 m，2层层高5.5 m，3层、25层层高4.0 m，4层～24层层高3.8 m，主体高度99.2 m。主楼效果图见图1。

邯郸市科技中心项目在当地具有科技示范作用，屈曲约束支撑作为结构减震技术的一种，有一定的科技含量，将其用在该项目中是恰当的[3-4]。根据计算结果，综合考虑到工程造价与减震效果，本项目在结构2层～6层设置了屈曲约束支撑，7层～24层设普通钢支撑。支撑平面布置如图2所示，支撑布置在主楼四角。

3 多遇地震作用下振型分解反应谱法分析

采用YJK软件和ETABS软件分别建立主楼地上计算模型。主楼为框架-剪力墙结构，为实现建筑立面的分格效果，结构四周不允许设置剪力墙，当结构四周不设剪力墙且不设支撑时，结构主要周期见表1，结构的扭转周期比为0.98，不满足规范限值不大于0.9的要求[5]。

表1 不设支撑时结构主要周期统计表

主楼四角设置支撑后，结构的主要计算指标见表2，扭转周期比减小到0.89，满足规范不大于0.9的要求。建模时普通钢支撑简化为两端铰接的斜杆，屈曲约束支撑简化为非线性连接单元(Wen)。因实际施工过程中，主楼浇筑混凝土时预埋支撑的连接节点板，待主体结构施工完成后安装支撑，所以软件施工模拟计算时指定支撑构件的施工次序为主体结构完成之后。由表2可知，YJK软件和ETABS软件分析结果比较接近，没有出现原则性冲突或矛盾，各项指标均在工程判断及JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程和GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)要求的范围内，说明结构模型选择合适，分析结果可信，结构设计基本合理。

表2 弹性反应谱法主要计算结果

4 多遇地震作用下弹性时程分析

弹性时程分析作为振型分解反应谱法的重要补充，用在特别不规则的建筑、甲类建筑、复杂高层建筑和高度较高的高层建筑。进行时程分析时，不同地震波的分析结果不同，正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。采用ETABS软件进行多遇地震作用下弹性时程分析，共采用两条天然波(Taft波、CPC波)和一条人工波进行计算，三条波的峰值加速度都调整到55 cm/s2，其加速度最大值按1(X向)∶0.85(Y向)的比例输入双向地震作用，三条波的波形图分别见图3～图5，三条波的波谱图见图6，三条波的有效持时均大于结构基本周期的5倍值。

主楼结构平面基本对称，本课题仅对结构平面的X向输入地震波进行计算，主要计算结果见表3。由计算结果可知，弹性时程分析选用的地震波符合规范要求，Taft波的计算结果与弹性反应谱法最为接近，Taft波计算所得的底部剪力和最大层间位移角均大于弹性反应谱法的计算结果，为包络值，计算结果均满足规范限值要求。

表3 弹性时程分析主要计算结果

5 罕遇地震作用下弹塑性时程分析

采用ETABS软件进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析，屈曲约束支撑在分析中利用Wen塑性单元模拟，典型Wen模型的滞回模型见图7，屈服后刚度比取0.03，屈服指数取5。普通钢支撑采用程序默认的轴力铰，框架梁和连梁两端采用程序默认的弯矩铰，框架柱两端采用程序默认的P-M-M铰。进行弹塑性分析时，考虑了材料非线性和施工过程非线性，设置结构自身阻尼采用Rayleigh阻尼，并按振型阻尼比为5%确定阻尼参数。地震波的峰值加速度调整到310 cm/s2。

为了比较屈曲约束支撑布置在不同位置时的减震效果，共采用了3种结构布置方案。方案一：所有支撑均为普通钢支撑；方案二：所有支撑均为屈曲约束支撑；方案三：在结构2层～6层布置屈曲约束支撑，其他层为普通钢支撑。人工波的弹塑性时程分析主要结果见表4。

表4 弹塑性时程分析主要计算结果

由上述计算结果可知，三种方案罕遇地震作用下的最大层间位移角均满足规范限值1/100的要求，三种方案的最大层间位移角的楼层分布与数值接近，说明本工程采用屈曲约束支撑与普通钢支撑对大震时的层间位移角结果影响较小。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，说明屈曲约束支撑在罕遇地震作用下起到了耗能作用。综合考虑工程造价和减震效果，选用了方案三。

屈曲约束支撑在罕遇地震下能否起到耗能的作用，与支撑的屈服力有关系。如果支撑的屈服力太高，则罕遇地震作用下支撑的轴力可能小于屈服力，此时支撑处于弹性状态，起不到耗能的作用。屈曲约束支撑的屈服力也不能太低，太低的话罕遇地震下支撑过早破坏也不能持续起到耗能作用。结构设计时应合理选取屈曲约束支撑的屈服力，以充分发挥其耗能作用。选取某屈曲约束支撑的滞回曲线如图8所示，说明该屈曲约束支撑随地震波多次往复，进入塑性阶段，起到了耗能作用。

6 结语

邯郸市科技中心主楼采用框架-剪力墙结构，在主楼四角设置了屈曲约束支撑和普通钢支撑可以增加结构抗扭刚度，且满足建筑立面的要求。经多遇地震作用下振型分解反应谱分析和弹性时程分析，以及罕遇地震作用下弹塑性时程分析，该结构层间位移角等指标满足规范要求，采用屈曲约束支撑和普通钢支撑相结合的布置方案经济合理，屈曲约束支撑在罕遇地震下起到了耗能作用。