（上海航天建筑设计院有限公司 上海 201108）
【摘 要】某高烈度区研发大楼需要有大空间测试区且分散分布，能布置上下贯通剪力墙位置很少，造成结构复杂，设计指标难以达到要求且构件截面过大。通过设置防屈曲支撑体系，并通过静力弹塑性推覆分析，展示了这种结构体系在高烈度区少墙框架结构中应用的优越性。屈曲支撑能使梁柱截面大大减小，层间位移和扭转满足要求；可降低总造价增加建筑使用面积。
【关键词】屈曲约束支撑；建筑结构；少墙框架；应用分析
【中图分类号】TU375.4 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）16-0079-05
1.屈曲约束支撑的组成
屈曲约束支撑（BRB/UBB）由芯材，无粘结填充材料、约束外套筒组成(图1)。芯材和约束外套筒之间由无黏结膨胀材料和间隙隔开，可避免核心单元受压时屈曲。芯材又可分为约束屈服段（核心段）、约束非屈服段（过渡段）、无约束非屈服段（连接段）3部分。
屈曲约束支撑常见的截面形式为十字形、T形、工字形和一字形等，分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。
2.屈曲约束支撑的工作原理
支撑构件作为抗侧力构件在结构中运用非常广泛。其主要抗侧机理为将框架结构抗侧转化为支撑两端柱子的整体拉压抗侧，抗侧刚度大大增加。
支撑构件在经历地震往复作用时往往受拉压交变荷载，且拉压受力大小基本相当。由于普通支撑构件一般长细比均不会很小，因此支撑构件在受压时会有稳定问题，其抗压承载力明显小于抗拉承载力。对于长细比为100左右的支撑构件，其受压承载力仅为受拉承载力的一半。所以在设计普通钢支撑时往往其所受压力控制截面设计。为了满足受压承载力支撑截面较大，无谓地增加了结构的刚度，使得地震力增加。
屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的全部荷载由芯板承担，约束外套筒和无粘结填充材料仅约束芯板受压屈曲，使得芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而其滞回性能优良（图2）。屈曲约束支撑一方面避免了普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属消能器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”的作用，保护主体结构。
图2 屈曲约束支撑和传统中心支撑的性能对比
屈曲约束支撑由于没有受压稳定问题，其在风载与小震下构件承载能力比普通支撑提高2~10倍，支撑构件越长其承载能力提高越多。相同承载力条件下与普通支撑相比，其截面可大大减小，所以结构的抗侧刚度变柔，周期相应加大，地震作用减少。
3.屈曲约束支撑的设计应用
3.1 工程概况
某研发大楼项目总建筑面积9万m2，其中地上建筑面积7万m2，地下建筑面积2万m2。南北轴线长141.2m，东西轴线宽71.8m，高44.95m；该建筑由地下两层和地上九层（局部八层）组成，项目位于8度、第二组的高烈度区域，属抗震乙类建筑，该研发大楼需要有大空间测试区且分散分布，仅能在交通核心区域布置上下贯通剪力墙，造成结构复杂，设计指标难以达到要求且构件截面过大，为了满足规范对结构层间位移角的要求，框架结构的梁、柱，剪力墙截面都做的比较大，剪力墙截面取600mm厚，柱子取1300mmx1300mm，才能满足规范的层间位移角要求，跟建筑要求不协调，严重影响建筑物大空间的使用要求，（图3）为标准层结构平面示意。
图3 标准层结构平面图
3.2 屈曲约束支撑方案的选择及支撑布置
8度及8度以上高烈度区的大空间结构，为了满足规范对结构层间位移角的要求。传统抗震结构体系采用“硬抗”地震的方法，通过加强结构、加大构件断面，加多配筋等途径提高结构的抗震性能，不仅使结构的造价明显提高，而且对原结构使用功能影响较大，跟建筑要求不协调。由于屈曲约束支撑相比于普通钢支撑，不存在失稳丧失承载力的问题，因此屈曲约束支撑既能解决结构层间位移角的要求问题，又能解决空间使用问题，所以在高烈度区大空间建筑中，屈曲约束支撑+少墙框架结构体系成为很好的选择。
屈曲支撑的布置原则通常应当考虑其刚度、延性、大震作用下的弹塑性性能、建筑功能要求等。平面布置时应当均匀、对称布置，沿结构两个主轴方向分别设置，使结构在两个方向上动力特性相近，且应当避免对原结构产生扭转效应，立面布置时应当避免结构刚度突变或产生新的薄弱层，造成应力集中或塑性变形集中。
综合考虑本工程的特点，为了减小对建筑使用功能的影响，同时使支撑布置发挥最大作用，本工程采用的支撑平面及立面布置分别如图4~6所示，屈曲约束支撑共128个。
图6 屈曲约束支撑节点详图
3.屈曲约束支撑计算分析
3.1 结构动力特性分析
该项目采用框架剪力墙+屈曲约束支撑结构体系，计算分析采用中国建筑科学研究院的程序PKPM（v3.1版本）系列软件。结构第一周期平动，第三周期为扭转周期，最大层间位移角为1/812，表明屈曲约束支撑布置均匀合理。
3.2 罕遇地震弹塑性（PUSHOVER）分析计算
采用 PKPM（PUSH&EPDA）进行静力弹塑性分析（Pushover）分析，用以评估结构在罕遇地震作用下的抗震性能。Pushover 分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法，是基于性能的抗震设计方法中最具有代表性的方法之一。通过pushover分析，主要可以实现以下主要目标：
（1）通过小震性能点下的结构响应分析，在一定程度上校核小震下结构的受力与变形状况；
（2）通过pushover分析得到结构的能力曲线，并与需求谱曲线比较，判断结构是否能够找到性能点，从整体上满足设定的大震需求性能目标；
（3）通过性能点状态下结构的最大层间位移角，判断是否满足“层间弹塑性位移角限值”的要求；
（4）通过模拟地震反应不断加大过程中构件的破坏顺序（塑性铰展开），考察是否与概念设计预期相符，梁、柱、墙等构件的变形，是否超过构件某一性能水准下的允许变形；
（5）通过对薄弱部位及各构件的塑性发展程度有个定性的考察，对确定加强设计的构件提供计算依据。
3.2.1 分析方法
PKPM(PUSH&EPDA) 的 pushover 分析是基于 FEMA-273 和 ATC-40。在初步设计阶段，混凝土梁、墙配筋暂按计算配筋乘于1.15放大系数。在各框架梁的两端设置弯矩铰 My-Mz，在框架柱以及剪力墙两端设置轴力弯矩铰 PMM；pushover 分析时，侧向荷载的分布模式采用第一振型模式，主节点位移控制。随着侧推荷载的逐步增大，结构位移逐渐增加，从而得到基底剪力－位移曲线，转化为结构的能力谱。能力谱和需求谱交点即为性能点。该点对应的结构状态应处于目标性能范围之内。由小震计算结果可知，结构的第一振型和第二振型分别沿 y 轴平动和 x 轴平动，因此分析时以这两种振型决定的水平分布荷载为加载模式，以位移增量为增量控制，分别进行 y 方向和 x 方向的静力弹塑性分析。
PKPM(PUSH&EPDA)中使用ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)等报告中的能力谱法(Capacity Spectrum Method，CSM)和推荐的参数对构件的抗震性能进行评价。能力谱法的原理如下图所示：
图7 能量谱法原理图
3.2.2 材料模型及抗震性能评价假设
在进行Pushover分析时，我们在各框架梁的两端设置弯矩‐旋转角类型的铰，且内力成分间互不相关（MyMz铰）；在各柱端设置弯矩‐旋转角类型的铰，且内力成分互相相关的PMM类型，即轴力、两个方向的弯矩互相相关（PMM铰）；对于柱构件，考虑重力二阶效应，并在计算柱屈服面时考虑失稳。
梁柱铰类型的骨架曲线采用FEMA铰类型。FEMA铰特性是对钢筋混凝土构件和钢构件通过往复荷载(reversed cyclic load)试验后对其结果理想化使之可以适用于实际工程的理想化模型，如下图所示：
图9 构件的使用性能标准
IO=直接居住极限状态(Immediate Occupancy)
LS=生命安全极限状态(Life Safety)
CP=防止坍塌极限状态(Collapse Prevention)
3.2.3 计算结果及分析
结构在8度罕遇地震作用下相应的能力谱需求谱曲线，如图10~11所示。图中青色折线代表进行了折减后的真实弹塑性需求谱。黄色为Pushover计算得到的结构能力谱。弹塑性需求谱与能力谱相交点为到罕遇地震作用下的性能点。X方向性能点对应第 39个分析步，相应的基底剪力为 297942.1kN（约为小震剪力的3.4倍），等效阻尼比为10.8%，等效周期为1.41s；性能点对应的最大层间位移角为 1/161；Y方向性能点对应第51个分析步，相应的基底剪力为309098kN（约为小震剪力的3.5倍），等效阻尼比为12.2%，等效周期为1.313；性能点对应的最大层间位移角为1/165。以上数据表明两个方向的分析所得最大弹塑性层间位移角均小于性能目标设定的 1/100的弹塑性层间位移角限值（大震下的层间位移、位移角与楼层剪力如图12~17所示）。结构整体设计能够做到“小震不坏，大震不倒”。
图12 X向位移曲线
图13 X向位移角曲线
图16 Y向位移角曲线
图17 Y向性能点处楼层剪力图
3.2.4 出铰情况分析
计算结果表明(图18~19)，结构x向多遇地震作用下没有出现塑性铰，完全处于弹性状态， 随着水平荷载不断增大，罕遇地震作用下结构进入弹塑性阶段，较多框架梁上出现塑性铰，随后底层及顶层部分框架柱也出现塑性铰。X向罕遇地震作用水平时，框架约19.8%处于B-IO阶段，8.4%处于IO-LS阶段，0.5%处于LS-CP阶段；Y向罕遇地震作用水平时，框架约24%处于B‐IO阶段，3.1%处于IO-LS阶段，0.6%处于LS-CP阶段。
图19 Y向罕遇地震作用下框架出铰图
3.2.5 弹塑性分析小结
纵观以上分析结果，我们看到：
（1）设防烈度下结构最大层间位移角为1/822，未超过多遇地震下弹性变形限值，结构整体性能处于基本弹性状态。塑性铰很少且多位于连梁及框架梁上，结构基本完好（轻度损坏），符合“中震可修”的设防目标。
（2）在罕遇地震下结构的最大弹塑性位移角为1/165，小于框架‐剪力墙结构1/100的限值要求，塑性铰出现在连梁及剪力墙底部加强区等预先设定的部位，符合“大震不倒”的设防要求。
（3）从塑性铰的产生和发展过程来看，连梁作为第一道防线的作用明显。连梁首先开裂耗能，在罕遇地震下结构连梁先出现塑性铰，然后结构部分框架梁出现塑性铰，进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能；底部加强区部分墙体损伤程度相对较大，但未出现剪力墙全截面进入屈服状态，基本满足大震不屈服的要求。
结构总体上在小震时处于弹性状态，大震时中等损坏（或轻度）具有较强的抗倒塌能力，抗震性能优于规范要求。
4.结论
抗震设防高烈度区采用传统钢筋混凝土框架结构，由于刚度要求控制的梁柱截面均很大，无法适应建筑物使用功能要求，通过本工程pushover分析，说明屈曲约束支撑+少墙框架结构体系在高烈度区抗震设计中的有着突出的合理性、必要性和优越性，有效解决了上述矛盾，是一种比较合理的结构体系。
参考文献
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[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.
论文作者:虞舰
论文发表刊物:《建筑知识》2017年16期
论文发表时间:2017/7/18
标签：屈曲论文; 结构论文; 塑性论文; 位移论文; 构件论文; 性能论文; 截面论文; 《建筑知识》2017年16期论文;