屈曲約束支撐設(shè)計及動力彈塑性分析論文
摘要：北京市軌道交通指揮中心項目采用了框架支撐結(jié)構(gòu)體系，其中支撐采用普通支撐與屈曲約束支撐結(jié)合的布置方式，采用此種方案既有效改善了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及抗震性能，又通過優(yōu)化組合降低了工程造價。構(gòu)件試驗及結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析表明：屈曲約束支撐在設(shè)防地震作用下可率先進入屈服狀態(tài)，主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性變形主要發(fā)生在底部區(qū)域框架柱內(nèi)型鋼處，且整體結(jié)構(gòu)損傷程度在安全范圍；結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各項性能指標滿足規(guī)范要求。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架-鋼支撐結(jié)構(gòu)；屈曲約束支撐；動力彈塑性分析；抗震設(shè)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區(qū)北部小營地區(qū)，主要為軌道交通線路控制中心、自動控制中心、研發(fā)檢測中心、信息中心及相關(guān)配套設(shè)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(jié)構(gòu)總高度51.10m,結(jié)構(gòu)整體上分為地下、主樓和配樓三個部分，結(jié)構(gòu)布置及相關(guān)詳細信息參見文獻。
主樓由左右兩座基本對稱的11層結(jié)構(gòu)組成，左右兩部分在中間1~2層和8~11層通過連廊連為一體。主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架-鋼支撐結(jié)構(gòu)（鋼支撐沿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系。
結(jié)構(gòu)平面呈L形，主體地上結(jié)構(gòu)與配樓之間設(shè)置防震縫分開，配樓為4層框架結(jié)構(gòu)。
（a）建筑效果（b）抗側(cè)力體系該結(jié)構(gòu)設(shè)計類別為乙類，抗震設(shè)防烈度8度，基本加速度值0.2g,設(shè)計地震動分組第一組，場地類別III類，場地特征周期0.45s,結(jié)構(gòu)采用消能減震方案。該方案通過將消能元件設(shè)置在結(jié)構(gòu)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(gòu)件在地震作用下的損傷。耗能元件根據(jù)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，通過對結(jié)構(gòu)進行彈性及動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(nèi)核鋼支撐和外包混凝土之間設(shè)置滑移面或無黏結(jié)層，軸向荷載僅由鋼內(nèi)核承受。內(nèi)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(shè)置屈曲約束支撐，不僅提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，同時能有效改善框架系統(tǒng)的延性與抗震性能。屈曲約束支撐構(gòu)造如圖2所示。
（a）典型構(gòu)造（b）縱向構(gòu)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，低屈服點材料可以實現(xiàn)較大剛度、較小屈服位移，同時具有良好的延性。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材料價格相對昂貴等原因使得軟鋼和低屈服點鋼材成為建筑結(jié)構(gòu)用阻尼器材料的首選。日本根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)消能減震需求專門研制了SS400（相當于國內(nèi)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?shù)牟牧蠟镼160.對比日本鋼材及我國鋼材應(yīng)57力-應(yīng)變曲線可知（圖4），我國的Q160材料具有良好的`延伸率，在最大應(yīng)力下的延伸率可達9%~10%,是傳統(tǒng)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足大空間使用要求，該項目選用了框架結(jié)構(gòu)。綜合考慮結(jié)構(gòu)高度及設(shè)計類別，結(jié)構(gòu)設(shè)計增設(shè)核心筒體，同時建筑平面較長，存在平面不連續(xù)等問題，故將核心筒布置于建筑中心外側(cè)（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(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度薄弱且扭轉(zhuǎn)變形顯著，為此需要在結(jié)構(gòu)兩端增設(shè)鋼支撐以改善上述問題。通過采用SAP2000及ABAQUS進行彈性及動力彈塑性分析表明，單獨采用普通鋼支撐框架結(jié)構(gòu)還存在以下幾方面問題：
1）鋼支撐性能指標為設(shè)防地震不屈服，設(shè)計需要構(gòu)件截面尺寸較大；2）罕遇地震作用下鋼支撐仍有局部失穩(wěn)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(jié)構(gòu)中選擇在部分樓層設(shè)置屈曲約束支撐，以此減小支撐構(gòu)件尺寸，同時減小設(shè)防地震、罕遇地震與支撐相連接構(gòu)件內(nèi)力負擔(dān)及塑性損傷，進而優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)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，在確定芯材材質(zhì)后對該型支撐進行了專門試驗研究（支撐參數(shù)詳見表1）。試驗在設(shè)計位移下往復(fù)加載，按照規(guī)范要求在L/500、L/300、L/200、L/150、L/100（L為構(gòu)件長度）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(gòu)件主要性能指標不發(fā)生明顯變化（降低不超過15%）。
JY-SD型屈曲約束支撐表現(xiàn)出了較好的滯回特性，與傳統(tǒng)鋼材相比，滯回環(huán)面積更為飽滿，屈服后剛度約占構(gòu)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(jié)構(gòu)動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。梁單元用于模擬結(jié)構(gòu)樓面梁、柱、支撐等。在ABAQUS軟件中，該單元基于Timoshenko梁理論，可以考慮剪切變形剛度，而且計算過程中單元剛度在截面內(nèi)和長度方向兩次動態(tài)積分得到。對于重力（施工過程中）加載時兩段鉸接的構(gòu)件（如結(jié)構(gòu)角部六邊形網(wǎng)格的橫梁等），采用釋放自由度的方法進行模擬。連接器單元用于模擬屈曲約束支撐。
材料本構(gòu)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(xiàn)的剛度恢復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取值。計算中不考慮箍筋對混凝土的約束效應(yīng)，僅采用規(guī)范中建議的素混凝土參數(shù)。混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線參見圖6、7.分別由受拉損傷因子dt和受壓損傷因子dc來表達，采用Najar的損傷理論。
2）鋼材采用雙線性隨動硬化模型（如圖8所示）。在循環(huán)加載過程中考慮包辛格效應(yīng)，無剛度退化。計算分析中，設(shè)定鋼材的強屈比為1.2,極限應(yīng)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行模擬，其本構(gòu)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(jié)構(gòu)模型主體結(jié)構(gòu)由左右對稱兩個塔樓組成，通過底部與頂部區(qū)域連接成一體，同時頂部區(qū)域由于大空間要求導(dǎo)致其抗側(cè)剛度較弱，為此屈曲約束支撐主要集中設(shè)置于頂部連接區(qū)域，如圖10所示F10、F11層的紅色構(gòu)件。輸入地震波選取地震波選擇根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2條3款規(guī)定，彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)果底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%,多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%.最終選擇兩條天然波和一條人工波進行計算，地震波基本參數(shù)見表2.
對結(jié)構(gòu)進行三組地震動記錄、三向輸入（圖11），共計6個工況（三組波分別雙方向輪換輸入）的罕遇地震動力彈塑性分析，三個方向（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(jié)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(jié)構(gòu)抗震性能基礎(chǔ)上節(jié)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(cè)剛度，設(shè)防烈度地震作用下部分屈曲約束支撐進入屈服耗能，罕遇地震作用下絕大部分屈曲約束支撐進入耗能階段但不發(fā)生破壞，普通鋼支撐不發(fā)生大變形失穩(wěn)。
最大層間位移角反應(yīng)如圖12所示，X向輸入時，結(jié)構(gòu)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，結(jié)構(gòu)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。同時可以發(fā)現(xiàn)各核心筒參考點層間位移角結(jié)果差別很小（<10%），說明各筒自身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，抗側(cè)剛度變化均勻。
結(jié)構(gòu)的損傷情況圖13為結(jié)構(gòu)在8度罕遇、三向輸入天然波2時，梁、柱內(nèi)型鋼的塑性應(yīng)變分布情況，可以看到，X、Y向輸入時，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性應(yīng)變的型鋼（含型鋼混凝土構(gòu)件中型鋼）主要集中在首層核心筒的局部位置，其中X向輸入時最大塑性應(yīng)變?yōu)?.338×10-3;Y向輸入時最大塑性應(yīng)變僅為1.077×10-3.其余部位型鋼基本保持彈性，結(jié)構(gòu)整體損傷較輕，均在可控范圍內(nèi)。
屈曲約束支撐滯回性能在8度罕遇地震下，沿結(jié)構(gòu)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進行分析（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(gòu)件長度比例均未超過1%,滯回曲線飽滿（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入屈服耗能，而主體結(jié)構(gòu)完好。
本項目屈曲約束支撐芯材采用Q160低屈服點軟鋼，構(gòu)件極限變形能力和延性性能明顯優(yōu)于普通材料。采用了低屈服點軟鋼芯材的支撐表現(xiàn)出了滯回曲線飽滿，屈服后構(gòu)件剛度小幅正向增長的優(yōu)點，同時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(jié)點的內(nèi)力。
結(jié)構(gòu)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(gòu)件變形能力超過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(jié)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，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/96,整個計算過程中，結(jié)構(gòu)始終保持直立，滿足規(guī)范"罕遇地震不倒"的要求。
2）采用低屈服點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(cè)剛度，設(shè)防地震作用下屈曲約束支撐進入屈服，結(jié)構(gòu)整體剛度降低、阻尼比提高，有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力。
3）罕遇地震作用下屈曲約束支撐耗能性能顯著，主體結(jié)構(gòu)型鋼及鋼筋塑性變形主要集中在結(jié)構(gòu)底層，符合規(guī)范抗震設(shè)防體系的思路，整體結(jié)構(gòu)損傷輕微并具有一定安全儲備。
參考文獻
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