防屈曲支撑在高位机厂房抗震结构中的应用

张小璇

上海蓝科建筑减震科技股份有限公司 上海 200433

1 工程概况

某工业建筑用于承载汽机和锅炉，二者分布于2栋相邻的结构。其中一栋的主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，结构层高差较大，开洞较多且不规则，其标高81 m的运转层用于承载高位汽机，质量达到6 000 t以上；与其紧邻的锅炉厂房则采用纯钢框架支撑结构，该厂房内设备与高位机厂房中的汽机存在管道连接，为保障设备正常使用，抗震设计须满足如下设计目标：高位汽机标高处，2栋结构在小震作用下沿结构y方向的变形差最大值不超过15 mm；结构抗震等级按照1级；在多遇地震下，全结构须完全保持弹性。

由于该结构不规则程度较高，且需满足82 m标高处由于管道设备需求的变形要求，为提高结构抗震性能，同时增加2栋框架结构的变形协调性，本文提出在2栋结构之间设置3道延性较好的屈曲约束支撑方法。

2 屈曲约束支撑方案

2.1 屈曲约束支撑结构特性

屈曲约束支撑（BRB）是一种金属耗能结构构件，由芯材、外套筒以及套筒内无黏结材料组成。它既可以在小震下作为抗侧力构件，也可以在大震下作为建筑“保险丝”，保护主体结构大震下不发生严重损坏[1-2]。

传统普通支撑，受压容易发生整体屈曲，造成结构的承载力和刚度急剧降低。且在往复荷载作用下，普通支撑的受压承载和变形能力远远弱于受拉，其滞回性能较差。相对于普通支撑，屈曲约束支撑承载力高、刚度大，具有较好的延性和滞回耗能能力。已有大量试验研究佐证，屈曲约束支撑应用于混凝土框架中能够显著改善其抗震 性能。

2.2 屈曲约束支撑布置及选型

高位厂房与锅炉房在26、58 及70 m处，通过BRB相连接以提高两单体结构的协同工作性能，如图1所示。

图1 BRB布置方案

BRB使用软钢芯材LY160，其相关参数的具体设置如表1所示。

表1 防屈曲支撑参数

3 分析模型

采用通用有限元分析软件SAP2000（V19.0）建立结构分析模型（图2）。

图2 SAP有限元模型

4 非线性时程分析

本节对联算模型分别进行多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的时程分析。多遇地震工况下采用5条天然波（S181、S586、S667、S868、S919）和2条人工波（AT-1、AT-4）进行双向地震输入，设防地震及罕遇地震工况下采用2条天然波和1条人工波进行双向地震输入，多遇地震工况、设防地震工况、罕遇地震工况下的有效峰值加速度分别按照18、50、125 gal（分别约合0.018g、0.051g、0.128g）输入。天然波、人工波反应谱如图3所示。经计算，满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的相关要求，如表2所示。

图3 多遇地震下地震波反应谱

表2 动力时程分析基底剪力与反应谱法对比 单位：kN

主要考察结构在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的楼层剪力分布及层间位移角分布情况，考察结构在设防地震及罕遇地震作用下的弹塑性性能，验算BRB在各阶段的工作状态，使其在多遇地震及设防地震作用下保持在弹性工作状态，罕遇地震作用下处于屈服耗能状态，同时验算防屈曲支撑在风荷载作用下的工作状态，着重考察高位机厂房及锅炉钢架在82 m标高处的相对变形情况。

4.1 多遇地震结果

高位厂房在多遇地震作用下的层间位移角分布，x向的最大层间位移角为1/2 602，y向的最大层间位移角为1/3 811，均满足规范中对于框剪结构1/800层间位移角限值的要求。

锅炉房在多遇地震作用下的层间位移角分布，x向的最大层间位移角为1/3 812，y向的最大层间位移角为1/2 969，远小于规范对于钢框架1/250层间位移角限值的要求。在风荷载作用下及多遇地震作用下，BRB的承载力及位移均未超过屈服承载力及屈服位移，表明BRB保持在弹性工作状态，能很好地连接高位厂房及锅炉房。

高位厂房与锅炉房相对位移的大小能在一定程度上反映二者间的协同工作性能，取高位厂房右端部与锅炉房左端部相对应点处相对位移的不利情况作为两者间的相对位移SP1、SP2。结果显示，SP1处在各时程工况下的最大相对位移为6.49 mm，SP2处在各时程工况下的最大相对位移为6.52 mm，均未超过15 mm的设计要求。

4.2 设防地震结果

高位厂房在设防地震作用下的层间位移角分布，x向的最大层间位移角为1/1 480，y向的最大层间位移角为1/1 641，结构基本处于弹性阶段。锅炉房在设防地震作用下的层间位移角分布，x向的最大层间位移角为1/625，y向的最大层间位移角为1/714，表明结构处于弹性工作阶段。

设防地震工况下，高位厂房与锅炉房左右端部相对应点处的相对位移时程曲线， SP1处在各时程工况下的最大相对位移为7.49 mm，SP2处在各时程工况下的最大相对位移为7.57 mm，也均小于15 mm要求。

4.3 罕遇地震结果

罕遇地震工况下使用的地震波数据与设防地震相同。高位机厂房在罕遇地震作用下，x向的最大层间位移角为1/621，y向的最大层间位移角为1/739，结构处于弹塑性工作阶段，满足现行规范对框剪结构1/100层间位移角限值的要求。锅炉钢架在罕遇地震作用下，x向的最大层间位移角为1/592，y向的最大层间位移角为1/594，表明结构基本处于弹性工作阶段。

屈曲约束支撑在地震波作用下大部分进入屈服段，图4给出了典型屈曲约束支撑的滞回曲线。由滞回曲线可以看出，屈曲约束支撑在地震作用下性能稳定，滞回饱满，能够充分发挥耗散地震能量的作用。

图4 罕遇地震作用下典型屈曲约束支撑滞回曲线

从结果可以看出：SP1处在各时程工况下的x方向最大相对位移为37.06 mm，SP2处在各时程工况下的x方向最大相对位移为37.49 mm；SP1处在各时程工况下的y方向最大相对位移为19.76 mm，SP2处在各时程工况下的y方向最大相对位移为17.93 mm。

从联算结构在各地震波罕遇地震工况下的塑性铰分布情况（图5～图7）可以看出：高位机厂房进入塑性的程度较深，但塑性铰均处于第1阶段，并未出现倒塌情况，表明结构进入到弹塑性工作阶段；锅炉钢架整体上基本处于弹性工作状态，上部及顶层部分支撑受压屈服，极少数支撑有受压失稳趋势，应注意加强，墙体的整体损伤在可控范围内，总体上实现了“大震不倒”的抗震设防目标。

图5 天然波1作用下x向整体及高位机厂房底部框架部分出铰情况

图6 天然波1作用下y向整体及高位机厂房底部框架部分出铰情况

图7 天然波1作用下x和y向与支撑相连的梁柱均保持弹性

5 结语

从以上的计算分析结果可以得到， 防屈曲支撑在多遇地震工况、设防地震工况、风荷载工况下均保持弹性工作状态，能有效连接高位厂房及锅炉房；多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下，高位厂房与锅炉房的最大相对位移分别为6.52、7.73、18.74 mm，其中多遇地震作用下的相对位移未超过15 mm的设计要求。

综上所述，混凝土剪力墙结构体系与钢框架结构体系相连接，即刚柔体系连接，使用具有优异延性的屈曲约束支撑可以保证结构本身的整体性。因此，在高位机厂房中使用防屈曲约束支撑连接锅炉钢架，是一种可行方案，建议在工业工程中推广应用。