屈曲约束支撑在某高层设计中的应用研究

王红松　（安徽省建筑科学研究设计院，安徽　合肥　230001）

屈曲约束支撑在某高层设计中的应用研究

王红松（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230001）

以实际工程为例，介绍了屈曲约束支撑在高层混凝土框架结构中的设计方法，分析了屈曲约束支撑在多遇地震及罕遇地震下对混凝土框架结构的抗震性能影响。结果表明：屈曲约束支撑可以有效地控制不规则结构在地震作用下的扭转变形，明显改善建筑结构抗震性能。

屈曲约束支撑；结构设计；混凝土框架；抗震性能

0　前言

汶川地震以后，消能减震结构在我国建筑工程领域得到大量的应用，越来越多的工程人员和研究人员意识到消能减震技术的重要性。

屈曲约束支撑又称防屈曲支撑，是重要的消能减震技术之一，最早发展于1973年日本；1994年北岭地震后，美国也开始对屈曲约束支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。屈曲约束支撑可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力，采用屈曲约束支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。本文通过某工程实例，介绍了屈曲约束支撑在高层混凝土框架结构中的设计，可为今后相似工程的设计提供参考。

1　工程概况

花园宾馆改扩建项目位于合肥市长江中路与花园街交口的西北角，项目总建筑面积约14.4万m2，地下5层，地上包括1栋超高层、1栋高层住宅及1栋9层独立商业裙房。根据建筑功能需求，商业裙房采用框架结构，裙房首层层高5.4m，2～6层层高4.5m，7层层高5.0m，8、9层层高4.5m，结构高度41.4m。

由于商业裙房地下室及建筑布置复杂，剪力墙在竖向无法保证其连续性，同时为了解决超限问题需增加梁柱截面尺寸来增大结构抗扭刚度。相对于剪力墙布置的诸多限制，同样能有效提供抗侧刚度，且布置灵活多变的屈曲约束支撑，只需在上部结构局部设置屈曲约束支撑，便很好的解决了框-剪结构剪力墙无法落地的问题。因此，结构型式最终选用带屈曲约束支撑的混凝土框架结构。

2　结构设计

2.1结构基本参数

结构设计的基本参数如表1所示。

设计基本参数　表1

2.2结构布置

该项目建筑形体及其构件布置存在平面凹凸及竖向收进两项一般性不规则，采用纯框架结构的抗侧刚度及楼层位移比将无法满足规范要求，造成结构超限，屈曲约束支撑能够同时解决侧移刚度和扭转刚度不足的问题。因此，沿结构两个主轴方向及刚度突变位置，分别沿建筑物高度连续设置屈曲约束支撑，使得整体结构具有合适的侧向刚度的同时，又提高了结构的延性。

屈曲约束支撑平面布置图及计算模型简图见图1、图2。抗震设计中共采用了70根TJII型屈曲约束支撑，支撑屈服承载力1200kN，屈曲约束支撑主要截面参数见表2。

屈曲约束支撑主要截面参数　表2

图1　屈曲约束支撑平面布置图

图2　计算模型简图

2.3计算方法及设计要点

依据规范［1］要求，本工程采取两阶段设计的方法。在不同的设计阶段，屈曲约束支撑采取不同的工作状态参与整体结构受力，计算方法也不相同。

①小震及风荷载下，要求屈曲约束支撑处于弹性状态；计算采用通用计算程序（PKPM），在结构模型中输入屈曲约束支撑按刚度和强度等效成普通矩形截面的钢支撑，支撑在计算中不考虑受压失稳问题和支撑长细比要求。通过改变支撑等效截面面积、增加支撑数量、改变支撑布置形式或平面布置位置等措施进行优化设计，直至各项指标满足规范要求。

②罕遇地震作用下，对结构进行静力弹塑性或弹塑性动力时程分析，检验结构在罕遇地震作用下的层间位移角是否满足规范要求，以及结构构件塑性铰状态。分析验算结构是否满足抗震规范对结构大震不倒的要求。

③整体结构进行多遇地震作用计算时，结构的阻尼比不应大于0.045，或按混凝土框架部分和屈曲约束支撑在结构总变形能所占的比例折算为等效阻尼比［1］，结构弹性层间位移角宜按框架和框架-剪力墙结构内插，控制在1/600～1/700。极限变形应满足罕遇地震下结构层间位移角的限值1/80的要求。

④为保证耗能型屈曲约束支撑的耗能能力，其节点连接承载力按不小于1.2倍屈曲约束支撑的极限承载能力设计，保证屈曲约束支撑在罕遇地震下仍能有效工作，连接方式采用焊接方式。

3　多遇地震作用下的结构分析计算

分析采用PKPM-SATWE进行计算，对框架结构采用和不采用屈曲约束支撑的2种计算方案进行比较，计算结果对比见表3。

采用和不采用屈曲约束支撑的计算结果对比　表3

由表3可以看出，通过增加屈曲约束支撑，结构的周期比、最大层间位移角及位移比均满足规范要求，避免了因结构不规则造成的超限问题。结构的整体振动形态得到明显改善，有效降低了扭转变形对结构的抗震性能的不利影响。同时，结构的抗侧及抗扭刚度均得到提高（见图3），结构双向水平抗侧刚度均增加了15%左右，框架梁、框架柱及屈曲约束支撑均处于弹性变形状态。

图3　地震作用下楼层侧移刚度对比曲线图

4　罕遇地震作用下弹塑性动力时程分析

本工程在结构弹性计算的基础上进行弹塑性非线性分析，通过弹塑性动力时程分析查看罕遇地震作用下各构件的塑性状态，了解结构的薄弱部位及塑性铰的发展趋势；验算结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角是否满足规范要求。

弹塑性动力时程分析采用程序PKPM系列EPDA进行，计算中混凝土应力应变关系采用三线性模型，钢材的应力应变曲线采用双折线模拟，强化系数取为0.01。结构层间位移角如表4所示，从分析结果可以看出，层间位移角满足混凝土框架罕遇地震下层间位移角限值的要求。

楼层最大位移及层间位移角　表3

通过分析结构塑性铰的形成图可以看出，屈曲约束支撑在罕遇地震作用下充分发挥了其耗能性能好的特征，首先出现塑性铰，随后少部分框架梁屈服，框架柱基本未出现塑性铰，整体结构满足“强柱弱梁”形式，形成合理的屈服机制。图4为罕遇地震作用下的结构塑性铰发展情况。

图4　罕遇地震作用下楼层塑性铰形成图

5　结论

通过对工程实例的研究分析，介绍了屈曲约束支撑在不规则高层混凝土框架结构设计中的具体应用，得到如下结论：

①在多遇地震作用下，屈曲约束支撑适度增大结构的抗侧刚度，结构各层的刚度分布趋于均匀合理，提高建筑结构的抗震能力。

②在罕遇地震作用下，屈曲支撑作为结构的第一道防线，支撑率先屈服耗能，减小主体框架结构的损伤，同时屈曲支撑屈服后具有稳定的承载力和延性，实现结构刚度的有限增加和延性破坏机制。

③增强结构的抗扭刚度，满足扭转位移比以及扭转平动周期比的要求，解决结构超限问题。

④由于屈曲支撑布置在建筑外围，对于本工程地上商业大空间和地下建筑布置的合理性都具有非常重要的意义。

［1］GB50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］王秀丽，蔡建辉.带BRB的不规则框架抗震性能研究［J］.甘肃科学学报，2010（3）.

［3］王建华，于岩磊.带屈曲约束支撑的混凝土框架结构设计［J］.建筑技术研究，2013（5）.

［4］季俊杰.屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的应用［J］.建筑钢结构进展，2011（3）.

［5］石勇，等.屈曲约束支撑在教学楼设计中的应用研究［J］.山西建筑，2015（20）.

［6］杜英杰.屈曲约束支撑在某医院结构设计中的应用［J］.四川建筑，2016（1）.

［7］朱增强.屈曲约束支撑在某商业建筑中的应用［J］.华北地震科学，2015（33）.

［8］解志强.屈曲约束支撑在混凝土框架结构中的工程应用［J］.建筑钢结构进展，2012（10）.

TU375.4

A

1007-7359（2016）04-0116-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.046

王红松（1981-），男，安徽桐城人，毕业于合肥工业大学，硕士；工程师，主要从事结构设计工作。