屈曲約束支撐設計及動(dòng)力彈塑性分析論文
摘要：北京市軌道交通指揮中心項目采用了框架支撐結構體系，其中支撐采用普通支撐與屈曲約束支撐結合的布置方式，采用此種方案既有效改善了結構抗側剛度及抗震性能，又通過(guò)優(yōu)化組合降低了工程造價(jià)。構件試驗及結構動(dòng)力彈塑性分析表明：屈曲約束支撐在設防地震作用下可率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，主體結構在罕遇地震作用下塑性變形主要發(fā)生在底部區域框架柱內型鋼處，且整體結構損傷程度在安全范圍；結構在罕遇地震下各項性能指標滿(mǎn)足規范要求。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架-鋼支撐結構；屈曲約束支撐；動(dòng)力彈塑性分析；抗震設計；抗震性能
工程概況北京市軌道交通路網(wǎng)指揮中心二期工程項目位于北京市朝陽(yáng)區北部小營(yíng)地區，主要為軌道交通線(xiàn)路控制中心、自動(dòng)控制中心、研發(fā)檢測中心、信息中心及相關(guān)配套設施（建筑效果如圖1a所示）。該項目二期總建筑面積69585m2,其中地上部分建筑面積42837m2,地下部分建筑面積26748m2,結構總高度51.10m,結構整體上分為地下、主樓和配樓三個(gè)部分，結構布置及相關(guān)詳細信息參見(jiàn)文獻。
主樓由左右兩座基本對稱(chēng)的11層結構組成，左右兩部分在中間1~2層和8~11層通過(guò)連廊連為一體。主體結構采用混凝土框架-鋼支撐結構（鋼支撐沿結構底到頂通高布置，其中在10、11層布置JY-SD型屈曲約束支撐），圖1b所示為結構抗側力體系。
結構平面呈L形，主體地上結構與配樓之間設置防震縫分開(kāi)，配樓為4層框架結構。
�。╝）建筑效果（b）抗側力體系該結構設計類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震設防烈度8度，基本加速度值0.2g,設計地震動(dòng)分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別III類(lèi)，場(chǎng)地特征周期0.45s,結構采用消能減震方案。該方案通過(guò)將消能元件設置在結構中，使變形及塑性損傷主要發(fā)生在耗能元件，從而減小主要受力構件在地震作用下的損傷。耗能元件根據受力特性不同分為速度相關(guān)型和位移相關(guān)型，本項目選用軸向位移型的屈曲約束支撐，通過(guò)對結構進(jìn)行彈性及動(dòng)力彈塑性分析考察采用該種消能減震技術(shù)的有效性及可行性。
屈曲約束支撐選型屈曲約束支撐需要在內核鋼支撐和外包混凝土之間設置滑移面或無(wú)黏結層，軸向荷載僅由鋼內核承受。內填充約束材料和外包鋼管提供足夠的剛度以防止支撐的整體屈曲。在混凝土框架柱間設置屈曲約束支撐，不僅提高了結構抗側剛度，同時(shí)能有效改善框架系統的延性與抗震性能。屈曲約束支撐構造如圖2所示。
�。╝）典型構造（b）縱向構成示意圖。消能元件核心材料試驗研究屈曲約束支撐的力學(xué)性能直接由核心材料決定，低屈服點(diǎn)材料可以實(shí)現較大剛度、較小屈服位移，同時(shí)具有良好的延性。計算分析后最終采用Q160軟鋼作為主要核心材料。
金屬阻尼器選用材料以軟鋼、低屈服點(diǎn)鋼材、鉛及記憶合金為主，而鉛材料因其本身缺陷以及合金類(lèi)材料價(jià)格相對昂貴等原因使得軟鋼和低屈服點(diǎn)鋼材成為建筑結構用阻尼器材料的首選。日本根據建筑結構消能減震需求專(zhuān)門(mén)研制了SS400（相當于國內Q235）、LY225型和LY110型鋼材，其中LY110型鋼材延伸率可達50%,累積塑性變形能力出眾，我國與其相當的材料為Q160.對比日本鋼材及我國鋼材應57力-應變曲線(xiàn)可知（圖4），我國的Q160材料具有良好的`延伸率，在最大應力下的延伸率可達9%~10%,是傳統鋼材的2倍以上，延伸性能與日本軟鋼性能相當。
消能器選型及試驗研究為滿(mǎn)足大空間使用要求，該項目選用了框架結構。綜合考慮結構高度及設計類(lèi)別，結構設計增設核心筒體，同時(shí)建筑平面較長(cháng)，存在平面不連續等問(wèn)題，故將核心筒布置于建筑中心外側（指揮大廳周邊）及建筑端部，盡量保證平面剛度均勻，但由于核心筒面積占全樓平面比例較小，結構抗側剛度薄弱且扭轉變形顯著(zhù)，為此需要在結構兩端增設鋼支撐以改善上述問(wèn)題。通過(guò)采用SAP2000及ABAQUS進(jìn)行彈性及動(dòng)力彈塑性分析表明，單獨采用普通鋼支撐框架結構還存在以下幾方面問(wèn)題：
1）鋼支撐性能指標為設防地震不屈服，設計需要構件截面尺寸較大；2）罕遇地震作用下鋼支撐仍有局部失穩大變形情況；3）框架柱在罕遇地震下?lián)p傷嚴重。
基于以上原因，在主體結構中選擇在部分樓層設置屈曲約束支撐，以此減小支撐構件尺寸，同時(shí)減小設防地震、罕遇地震與支撐相連接構件內力負擔及塑性損傷，進(jìn)而優(yōu)化了整體結構在罕遇地震作用下的變形性能。
該項目屈曲約束支撐選用了低屈服點(diǎn)軟鋼作為芯材，經(jīng)計算選用屈服承載力2500、2000、1000kN的JY-SD型屈曲約束支撐，本文針對項目特點(diǎn)，在確定芯材材質(zhì)后對該型支撐進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)試驗研究（支撐參數詳見(jiàn)表1）。試驗在設計位移下往復加載，按照規范要求在L/500、L/300、L/200、L/150、L/100（L為構件長(cháng)度）目標位移下各循環(huán)3圈，L/80目標位移下循環(huán)30圈后，試驗后支撐構件主要性能指標不發(fā)生明顯變化（降低不超過(guò)15%）。
JY-SD型屈曲約束支撐表現出了較好的滯回特性，與傳統鋼材相比，滯回環(huán)面積更為飽滿(mǎn)，屈服后剛度約占構件彈性剛度的2%,能有效發(fā)揮材料的高延伸性能，如圖5所示。
結構動(dòng)力彈塑性分析模型建立單元選擇四邊形或三角形縮減積分殼單元用于模擬核心筒剪力墻、連梁及樓板等。梁?jiǎn)卧糜谀M結構樓面梁、柱、支撐等。在A(yíng)BAQUS軟件中，該單元基于Timoshenko梁理論，可以考慮剪切變形剛度，而且計算過(guò)程中單元剛度在截面內和長(cháng)度方向兩次動(dòng)態(tài)積分得到。對于重力（施工過(guò)程中）加載時(shí)兩段鉸接的構件（如結構角部六邊形網(wǎng)格的橫梁等），采用釋放自由度的方法進(jìn)行模擬。連接器單元用于模擬屈曲約束支撐。
材料本構模型：
1）混凝土采用彈塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強度差異、剛度及強度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現的剛度恢復等特性。計算中，混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按GB50010-2010《混凝土結構設計規范》取值。計算中不考慮箍筋對混凝土的約束效應，僅采用規范中建議的素混凝土參數�；炷帘緲嬯P(guān)系曲線(xiàn)參見(jiàn)圖6、7.分別由受拉損傷因子dt和受壓損傷因子dc來(lái)表達，采用Najar的損傷理論。
2）鋼材采用雙線(xiàn)性隨動(dòng)硬化模型（如圖8所示）。在循環(huán)加載過(guò)程中考慮包辛格效應，無(wú)剛度退化。計算分析中，設定鋼材的強屈比為1.2,極限應變?yōu)?.025.
3）屈曲約束支撐模型。屈曲約束支撐在分析模型中采用連接單元進(jìn)行模擬，其本構關(guān)系采用考慮剛度強化的理想彈塑性模型，如圖9所示。
整體結構模型主體結構由左右對稱(chēng)兩個(gè)塔樓組成，通過(guò)底部與頂部區域連接成一體，同時(shí)頂部區域由于大空間要求導致其抗側剛度較弱，為此屈曲約束支撐主要集中設置于頂部連接區域，如圖10所示F10、F11層的紅色構件。輸入地震波選取地震波選擇根據GB50011-2010《建筑抗震設計規范》5.1.2條3款規定，彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線(xiàn)計算所得結果底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%,多條時(shí)程曲線(xiàn)計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%.最終選擇兩條天然波和一條人工波進(jìn)行計算，地震波基本參數見(jiàn)表2.
對結構進(jìn)行三組地震動(dòng)記錄、三向輸入（圖11），共計6個(gè)工況（三組波分別雙方向輪換輸入）的罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析，三個(gè)方向（X、Y、Z向）輸入峰值加速度比為1∶0.85∶0.65,X向波峰值加速度取為400gal.
罕遇地震彈塑性分析結果研究表明普通支撐與屈曲約束支撐混合布置能夠在改善結構抗震性能基礎上節約成本。多遇地震作用下普通支撐與屈曲約束支撐一起形成框架支撐體系，支撐提供抗側剛度，設防烈度地震作用下部分屈曲約束支撐進(jìn)入屈服耗能，罕遇地震作用下絕大部分屈曲約束支撐進(jìn)入耗能階段但不發(fā)生破壞，普通鋼支撐不發(fā)生大變形失穩。
最大層間位移角反應如圖12所示，X向輸入時(shí)，結構頂部最大位移為0.282m,最大層間位移角為1/96,在第6層；Y向輸入時(shí)，結構頂部最大位移為0.285m,最大層間位移角1/102,發(fā)生在第11層。同時(shí)可以發(fā)現各核心筒參考點(diǎn)層間位移角結果差別很�。�<10%），說(shuō)明各筒自身扭轉效應不明顯，抗側剛度變化均勻。
結構的損傷情況圖13為結構在8度罕遇、三向輸入天然波2時(shí)，梁、柱內型鋼的塑性應變分布情況，可以看到，X、Y向輸入時(shí)，結構中出現塑性應變的型鋼（含型鋼混凝土構件中型鋼）主要集中在首層核心筒的局部位置，其中X向輸入時(shí)最大塑性應變?yōu)?.338×10-3;Y向輸入時(shí)最大塑性應變僅為1.077×10-3.其余部位型鋼基本保持彈性，結構整體損傷較輕，均在可控范圍內。
屈曲約束支撐滯回性能在8度罕遇地震下，沿結構角部、周邊及核心筒處選取4處典型屈曲約束支撐滯回曲線(xiàn)進(jìn)行分析（圖14），JY-SD-1000型屈曲約束支撐最大軸向變形15mm,JY-SD-2000型屈曲約束支撐最大軸向變形13mm,JY-SD-2500型屈曲約束支撐最大軸向變形15mm,三種屈曲約束支撐軸向變形與構件長(cháng)度比例均未超過(guò)1%,滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)（圖15），表明在8度罕遇地震作用下屈曲約束支撐較大程度進(jìn)入屈服耗能，而主體結構完好。
本項目屈曲約束支撐芯材采用Q160低屈服點(diǎn)軟鋼，構件極限變形能力和延性性能明顯優(yōu)于普通材料。采用了低屈服點(diǎn)軟鋼芯材的支撐表現出了滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，屈服后構件剛度小幅正向增長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)支撐屈服后強化剛度較小，其明顯降低了罕遇地震作用下支撐附加給節點(diǎn)的內力。
結構整體彈塑性分析表明，屈曲約束支撐最大變形為18mm（屈服位移的7.8倍），而構件變形能力超過(guò)32mm（屈服位移的14.8倍），這表明屈曲約束支撐變形安全儲備在1.9倍以上。
結論
1）采用屈曲約束支撐的框架支撐體系在三向罕遇地震輸入時(shí)，結構最大層間位移角為1/96,整個(gè)計算過(guò)程中，結構始終保持直立，滿(mǎn)足規范"罕遇地震不倒"的要求。
2）采用低屈服點(diǎn)芯材的屈曲約束支撐在多遇地震作用下能夠有效提供彈性抗側剛度，設防地震作用下屈曲約束支撐進(jìn)入屈服，結構整體剛度降低、阻尼比提高，有效提高結構抗震能力。
3）罕遇地震作用下屈曲約束支撐耗能性能顯著(zhù)，主體結構型鋼及鋼筋塑性變形主要集中在結構底層，符合規范抗震設防體系的思路，整體結構損傷輕微并具有一定安全儲備。
參考文獻
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