华建集团上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司 上海 200041
摘要：由于建筑专业的要求，白莲泾码头项目中采用了铰接框架+屈曲约束支撑+拱壳的结构体系。相比于全部采用普通支撑和全部采用柔性支撑，屈曲约束支撑体系可以缩小支撑截面，简化支撑布置，美化建筑外观。中、大震下屈曲约束支撑进入屈服阶段，耗散了地震输入能量，保护了主体结构。柔性拉索在大震下基本保持弹性，提供结构的恢复力。新型支撑体系可以实现结构大震不屈服的性能设计目标，并可以使结构恢复原位。因此，该新型支撑布置体系对于结构抗震具有工程意义。
关键词：铰接框架-支撑结构；屈曲约束支撑；柔性拉索；弹塑性分析
Design and Application of Pinned buckling-
restrained braced frame
Abstract：Due to the requirements of architect, the structure system of the Bailenjing Wharf Project adopted the pinned buckling-restrained braced framewiththe arch shell. Compared to the traditional brace and the flexible cable used solely, buckling restrained brace can reduce the brace section and optimize building appearance.The buckling restrained brace yields under moderate and rare earthquakes,dissipates the seismic energy input and protects the main structure. The flexible cable basically maintains elastic under the rare earthquake, providing the structural resilience. The new structure system can achieve the performance goal under rare earthquake and keep the structure to its original position.Therefore, the new structure systemcan be referenced by other project.
Keywords：Pinned buckling-restrained braced frame; Buckling-restrained brace; Flexible cable; Elastic-plastic analysis
1.工程概况
本工程为白莲泾码头，位于上海市上海市浦东新区，世博轴东北方向。东临世博大道，南临白莲泾路。本地块总用地面积为18000m2，东侧世博大道道路红线宽度45米。基地东临白莲泾公园，西邻世博公园，地势较为平坦。地上一层，局部两层，无地下室，总建筑面积约为5198 m2。建筑内部效果图见图1，建筑典型剖面图见图2.
图2 典型剖面图
2.结构设计
2.1结构设计信息
本工程采用铰接框架-支撑体系，设计使用年限50年，考虑三个水准的地震效应：
抗震设防烈度7度；
基本地震加速度峰值为0.10g；
水平地震影响系数最大值为0.08（小震）、0.23（中震）、0.45（大震）；
设计地震分组为第二组场地类别IV类；
特征周期Tg为0.9s（罕遇地震特征周期取1.1s）。
上海市风荷载根据以下参数计算：
10年一遇基本风压ω0为0.40kN/m2；
50年一遇基本风压ω0为0.55kN/m2；
地面粗糙度类别B类；
风荷载计算时的结构阻尼比取0.02。
2.2结构体系
依据建筑设计方案，本工程采用铰接钢框架-支撑结构体系，其中连续拱壳结构屋面为水平承重构件，钢柱为竖向承重构件，钢柱和柱间支撑以及耗能支撑为抗侧构件。此外由于结构超长，且两端有两层的办公楼，中间为一层的候船大厅，故结合车道位置设置抗震缝，将地上结构分为三个单体S1~S3，三个单体的长度分别为34.15m，135m和48.75m，单体的最大宽度约为48.75m，结构划分方案见图3。本文主要介绍S2单体的设计内容，S2单体模型见图4。
S2单体的钢柱上下端均为铰接构造，结构的抗侧刚度和承载力通过高强拉索和屈曲约束支撑（耗能型）提供，支撑均为V字形布置。高强拉索施加的一定的预应力以提高结构的初始刚度。
图4结构模型
由于大部分的柱采用上下铰接，结构的抗侧刚度主要由支撑提供。如采用普通支撑，普通支撑会受压屈曲，使得支撑截面尺寸较大，与建筑专业的外观尺寸要求差距不匹配。但如采用全柔性支撑，支撑的数量较多，使得建筑的空间布局较为凌乱。故结合建筑的需求，本工程创新性得采用耗能屈曲支撑和柔性拉索支撑的组合形式，中、大震下屈曲约束支撑进入屈服，使得结构刚度下降，周期延长，且屈曲约束支撑的滞回耗散了地震输入能量，使得中、大震下的地震力相比弹性大震有较为明显的折减，保护了主体结构，柔性拉索在大震下基本保持弹性，提供结构的恢复力。屈曲约束支撑的设置使得结构的性能布标可基本达到“大震不屈服”，高强拉索（ftk=1670MPa）在大震下基本保持弹性使得结构可以自行恢复到初始位置，实现了结构的可恢复性，受力特点接近于摇摆墙结构。屈曲约束支撑的屈服承载力确定为550kN，芯材采用LY100。S2单体的X、Y向各布置了13组BRB与22组柔性拉索支撑（直径D=40mm）。支撑布置位置如图5所示，典型支撑立面如图6所示。
图5支撑布置位置（蓝色为BRB，红色为柔性拉索）
图6典型支撑立面布置图
竖向荷载作用下，荷载主要通过混凝土壳体的受压传递给钢柱，壳体的典型厚度取为150mm，混凝土强度等级为C40。钢柱柱顶设置拉结钢板，以平衡拱壳的水平推力，售票大厅的沿江面设置悬挑雨棚，由屋盖混凝土壳体延伸半跨形成。拱壳的交界处沿拱轴方向设置拉结钢梁，可明显降低拱壳的弯矩作用，并减小了建筑的回填厚度，降低了结构荷载。
2.3场地条件和基础设计
本场地建场区属于滨海平原地貌类型。根据现有勘察结果，拟建场地自地表至地下40m深度范围内土层可分为7层，土层分布较为平缓。按照勘查报告的建议，本工程采用钻孔灌注桩+独立承台基础形式，第⑥层暗绿色粉质粘土层的土性较佳，作为本工程的桩基持力层。本工程采用∅550钻孔灌注桩抗压桩，各桩型及其承载力见表1。
表1单桩承载力特征值表
3.弹性分析
3.1整体计算控制指标
由于支撑跨均设置了剪力墙与基础相连，故整体计算式取首层地面作为上部结构的嵌固端，采用ETABS(2016)进行结构建模分析。计算模型的楼板采用弹性楼板，反映其平面内实际刚度（验算平面扭转比），嵌固端示意图如图7所示。
图7 嵌固端示意
计算模型中主要定义了竖向及水平荷载工况。其中竖向工况包括结构自重、附加恒荷载以及活荷载。水平荷载工况为地震荷载，考虑风荷载。对于各水准下地震加速度反应谱，则考虑了X向和Y向的地震作用，对于小震水平地震荷载考虑了双向地震及偶然偏心的影响。限于篇幅所限，仅列举S2的计算结果，S2的结构模型如图8所示，弹性计算结果如表2所示。
图8 S2 ETABS计算模型
表2 S2弹性计算结果
3.2 结构弹性时程分析
按照有效峰值、持续时间、频谱特性等方面匹配的原则选用上海市《建筑抗震设计规程》（DGJ08－9－2013）（J10284－2013）提供的七组地震波：SHW1~SHW7，其中SHW1、SHW2两组为人工地震波，SHW3～SHW7五组为天然地震波。地震波输入时按照主、次方向1:0.85输入。各条地震波对应的反应谱及平均谱与规范反应谱的比较见图9.
图9地震波与规范反应谱曲线的比较
时程分析法与反应谱法基底剪力对比如表3所示。
表3 S2反应谱与时程分析基底剪力比较
时程分析法与反应谱法层间位移角对比如表4所示。
表4反应谱与时程分析层间位移角比较
从表中数据可看出，时程分析法与反应谱法计算结果基底剪力基本一致，且七条时程曲线计算得到的底层剪力与反应谱结果的比值在75%~130%，满足规范65%~135%的要求，其比值的平均值在两个方向分别为101%和100%，满足规范在80%~120%的要求，波形选取合适。且时程分析得到的层间位移角均值也小于规范限值要求1/250.
4.罕遇地震下的弹塑性时程分析
4.1分析方法及采用的软件
（1）分析软件
采用ETABS作为弹塑性分析的软件，ETABS可以计算带有隔震、金属阻尼器和粘滞阻尼等非线性连接单元结构的非线性时程分析。
（2）单元模拟
框架柱、拉杆采用Frame单元模拟，楼板采用SHELL单元模拟，由于按照“大震不屈服”设计，在非线性时程分析中按照弹性假定。
非线性时程分析中仅考虑屈曲约束支撑和柔性拉索的非线性特性。
屈曲约束支撑采用wen单元模拟,非线性力－变形关系如下：
其中 k 为弹性弹簧常数，yield 为屈服力，ratio 为指定的屈服后刚度对弹性刚度（k）的比值，及 z 为一个内部滞后变量。
拉索单元具有只拉不压的受力特点，采用钩（HOOK）单元模拟。
（3）分析步骤
根据工程在施工建造及使用过程中的实际情况，整个分析过程分为施工加载计算、 “恒+0.5活”加载计算、地震波时程计算三个部分，其关系见图10。
图10分析步骤
（4）阻尼输入
根据《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）规定，本结构在罕遇地震下的振型阻尼ξ0取0.05，同时考虑由于屈曲约束支撑进行如塑性产生的滞回耗能阻尼。
4.2结构抗震性能评价指标
（1）结构的总体变形
根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）要求，罕遇地震作用下，按以下条件控制结构位移：
结构的最终状态仍然竖立不倒；
钢结构层间位移角≤1/50。
（2）构件性能评估指标：
柱、柱顶拉杆及楼板均按照大震不屈服设计，柔性拉索基本保持弹性；
仅屈曲约束支撑进入塑性。
4.3 地震波选取
采用现行的上海抗规（DGJ08-9-2013）附录1提供的SHW8～SHW14，共7组波，各条地震波的反应谱曲线见图11。
图11反应谱曲线对比
4.4 S2单体罕遇地震下结构响应
（1）底部剪力
每组地震波作用下结构的基底剪力最大值见表7。弹性与弹塑性剪力对比情况见表5。两个方向底部剪重比平均值分别为21%和18%。相对弹性分析结果，考虑弹塑性刚度退化后，每组波地震剪力均有一定程度的降低，7组波的平均比值两个方向分别为46%、43%
表5大震弹性与弹塑性基底剪力对比
（2）层间位移角
每组地震波作用下结构的层间位移角见表6。
表6每组地震波对应的结构层间位移角最大值
由上表可以看到，结构在X方向的层间位移角平均最大值为1/101；结构在Y方向层间位移角平均最大值为1/159。结构在X、Y两个方向最大层间位移角均满足钢结构层间位移角≤1/50的限值要求。
（3）构件性能
大震作用下典型钢柱的应力比见下图，钢柱的应力比基本在0.85以下，满足“大震不屈服”的性能目标，各钢柱的应力比如图12所示。
图12 钢柱应力比
大震作用下所有斜拉索支撑的最大内力见下表，基本满足大震不屈服的性能目标。
表7斜拉索内力
屈曲约束支撑的滞回曲线见图13。
图13 部分BRB耗能滞回曲线
4.5总体评价
a)每组波都能顺利完成整个时间历程的动力弹塑性计算，数值收敛性良好。地震波计算完成后结构依然处于稳定状态，满足“大震不倒”的抗震
设防目标。
b)结构在X、Y两个主方向基底剪力均值分别为14954kN、12863kN，对应的剪重比分别为21%和18%。与弹性分析结果相比，地震力在两个方向的平均降低程度分别均为46%、43%。
c)结构在X、Y方向的最大层间位移角均值分别为1/101、1/159，均满足钢结构层间位移角≤1/50的规范要求。
d)钢柱、斜拉索支撑及楼板基本满足“大震不屈服”的性能目标
综上所述，本结构在罕遇地震作用下的受力性能良好，满足设计要求。
5.结论
通过对布置有V型耗能屈曲支撑和柔性拉索支撑组合支撑体系的框架-支撑结构的工程实例进行弹性地震作用分析和弹塑性地震作用分析，可以发现结构各组成部分在地震作用下工作状态良好。在小震作用下，框架柱承担主要侧向力并始终处于弹性阶段，各结构指标满足规范要求；在中、大震作用下，支撑体系工作良好，具有优异的耗能能力，主要承重构件均未破坏，使得结构处于大震不倒的性能设计目标。
参考文献
[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]DG/TJ08-32-2008高层建筑钢结构设计规程[S].上海：上海市建设和交通委员会，2008
[4]JGJ297-2013建筑消能减震技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
论文作者:王伟杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：结构论文; 屈曲论文; 地震波论文; 大震论文; 位移论文; 荷载论文; 弹性论文; 《基层建设》2018年第24期论文;