厦钨年产四万吨锂电池项目主厂房消能减震设计研究

任 彧 刘梅婷 张雅杰 陈更新

(福建建工装配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着新能源和半导体产业技术的发展，当前我国相关工业建筑呈现大型化、复杂化发展趋势。通常此类工业建筑的柱距为12 m～15 m、生产区层高为8 m～12 m、使用活荷载为2～8 t/m2，均显著大于常规民用建筑。由于生产工艺要求，此类工业建筑通常不能采用钢结构；且结构单元的长度需满足生产线布置要求，往往需要达到百米以上。且受建筑功能和生产工艺的限制，钢筋混凝土剪力墙的布置局限性很大，往往难以采用框架-剪力墙结构。如采用常规的以“抗”为主的混凝土框架结构方案，则存在梁柱尺寸偏大及配筋密集难以施工的问题。

此类大体量钢筋混凝土工业建筑，如采用现浇工法需要设置高大模板支撑体系，材料耗费大、施工措施费非常昂贵，且施工周期长。在上述约束条件下，综合采用现代消能减震技术和装配式建造工法，可以获得良好经济效益。本文以厦门钨业年产四万吨锂电池项目主厂房为例，说明现代消能减震技术在新能源和半导体产业工业厂房中的应用要点。

1 工程概况

该工程位于福建省厦门市，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g，设计地震分组第二组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期0.40 s。主生产车间为框架-BRB支撑体系，框架抗震等级为二级；无地下室、地上7层，建筑高度为47.35m，生产线所在区域的局部层高均为11.5 m。主厂房单体建筑面积61 764.55 m2，建筑总长度为190 m，分为两个各95 m左右的结构单元。生产线区域设计活荷载为20 kN/m2，X向柱距为8.1 m、Y向柱距为13 m，具有大跨、重载、大层高和大体量等特点。

该工程为锂离子电池正极材料生产线，厂房内的材料、设备应杜绝含有铜、铁、锌、镍等材质的材料及设备，因此主体结构不具备使用钢结构的条件。考虑生产工艺及预制需要，采用钢筋混凝土单向次梁布置，左侧单元结构平面布置如图1所示。

采用结构软件进行结构试算，当生产线区域柱截面尺寸取1100×800，框架梁截面尺寸500×1200时，X向最大地震层间位移角1/697，Y向最大地震层间位移角1/592，由于局部层高达到11.5 m，因此框架梁柱的配筋率相对较高(2%～2.5%)。本工程的生产线作业区和车道均设置较为紧凑，常规结构方案的柱截面尺寸无法满足生产线工艺要求；且预制构件重达16.5 t左右，吊装措施费相对较高。因此，在与业主及总包单位充分沟通基础上，采用消能减震方式进行优化设计。

2 消能减震原理

消能减震结构主要是通过设置消能减震装置以控制结构在不同烈度地震作用下的预期变形，从而达到不同等级抗震设防目标[1]。该工程减震设计采用屈曲约束支撑(BRB)作为消能减震部件。屈曲约束支撑是由核心受力芯材、外约束单元、无粘结材料组成[2]，利用核心单元产生弹塑性滞回变形耗散能量、外约束单元提供防屈曲约束的减震装置[3-4]。

一方面，BRB可为结构提供足够的刚度和承载力，有效减小构件截面尺寸，又不影响建筑功能且施工方便，大大提高了结构方案合理性；同时，BRB可在罕遇地震下进行耗能，提升建筑抗震能力，从而保护强烈地震下建筑物内的人员和财产安全。对该工程有着重大意义。

由于锂离子电池正极材料生产线特殊的工艺要求及防腐要求，拟采用BRB本体包裹碳纤维材料，BRB端头、节点板及预埋件外露部分采用环氧树脂类材料涂刷，如图2所示。

图2 该工程采用的BRB类型

3 屈曲约束支撑(BRB)设计

该工程在多遇地震和罕遇地震作用下的减震目标和性能目标,如表1所示。

表1 减震目标和性能目标

该工程消能减震方案设计原则为：

(1)依据预期的水平地震力和位移角控制要求及耗能等参数，估算出减震结构所需附加刚度，据此选择合适的BRB参数和数量，并通过调整弹性段来使BRB种类不致过多，具体如表2所示。

表2 工程BRB产品参数表

(2)BRB配置在层间相对位移较大楼层，同时采用合理连接形式增加BRB两端的相对变形，以提高BRB的减震效率。

(3)消能子结构中的框架梁柱设计应考虑BRB在极限位移下的阻尼力作用。

(4)BRB与主结构之间连接部件需适当设计，使其在罕遇地震作用下仍可维持弹性状态。

(5)BRB的平面布置原则：遵循“均匀、分散、对称”原则，主要在楼电梯间、功能分区交界等区域布置，保证其既不影响生产工艺及建筑采光和内部空间分割功能，又能满足结构刚度和耗能需求，如图3所示。

图3 一层BRB平面布置图

4 结构减震前后主要经济指标对比

结构减震前后主要经济技术指标对比如表3所示，梁柱节点布筋对比如图4所示。

(a)非减震结构 (b)减震结构

综上所述，在最大地震层间位移角降低12%～30%情况下，应用消能减震方案可降低总混凝土量约1/10，对减小构件截面、钢筋数量效果尤其显著。以生产区的梁柱为例，柱截面尺寸由1100×800减小为900×800，Y向主梁由500×1200减小为500×1000，使得预制混凝土构件生产、安装难度及措施费大幅降低。

表3 结构减震前后主要经济指标对比

5 消能减震结构抗震性能分析

对减震结构进行整体分析，应包含减震结构的弹性分析及弹塑性分析。其具体设计内容主要包括：

(1)计算附设BRB的减震结构在多遇地震作用下的结构响应；

(2)进行弹性时程分析，复核多遇地震作用下位移角；

(3)进行设防地震时程分析，复核设防地震作用下BRB耗能；

(4)罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算。

5.1 模型概述

对主厂房左侧单元使用SAP2000有限元分析软件建立结构模型，并进行计算与分析，如图5所示。

图5 SAP2000模型

SAP2000模型中屈曲约束支撑(BRB)采用非线性单元Plastic(Wen)模拟，如图6所示。

图6 屈曲约束支撑(BRB)的模型图(13-13轴)

5.2 地震波的选取

遵循《建筑抗震设计规范》[5]第5.1.2条相关规定，进行时程分析法时，选用的加速度时程曲线类型和加速度时程最大值如表4所示。

表4 时程文件信息

7条时程反应谱与规范反应谱曲线的对比如表5所示，地震波的详细情况如图7所示，均满足《建筑抗震设计规范》[5]第5.1.2条相关条文说明的要求。

表5 7条时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

本文选取了5条实际强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，对比结果如表6所示，符合《建筑抗震设计规范》[5]第5.1.2条相关规定。

5.3 多遇地震弹性时程分析

在SAP2000分析中，弹性时程分析采用SAP2000所提供的快速非线性分析(FNA)方法，即只考虑BRB的非线性、结构本身假设为线性，楼层位移角曲线如图8所示。

图7 7条时程反应谱与规范反应谱曲线

图8 楼层位移角曲线

由弹性时程分析结果可知，所有类型的BRB在多遇地震下受力均小于BRB屈服力，且7条地震波作用下的层间位移角包络值，均满足多遇地震的减震目标1/620，因此该BRB布置方法满足多遇地震下“全楼结构完全弹性”的性能目标。

5.4 设防地震和罕遇地震BRB耗能分析

在SAP2000中，使用连接单元Plastic(Wen)对屈曲约束支撑(BRB)进行准确模拟，并将本模型中的框架梁、柱均定义塑性铰。弹塑性时程分析过程中不考虑结构的几何非线性，只考虑材料非线性并采用小变形假定。对动微分方程的计算，采用Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，其中β系数与γ系数分别取0.25和0.5，Alpha系数为0。选用前述的七条地震波进行设防地震和罕遇地震分析，分析结果取平均值。设防地震下BRB出力和位移情况如表7所示。罕遇地震下BRB出力和位移情况如表8所示，耗能滞回曲线如图9所示。

表7 设防地震下BRB出力和位移情况

表8 罕遇地震下BRB出力和位移情况

图9 罕遇地震下BRB耗能滞回曲线

由上可知，在设防地震下部分BRB开始进入屈服状态耗能；在罕遇地震下BRB大部分进入塑性，发挥了良好耗能能力；罕遇地震BRB滞回曲线较为饱满，体现了结构较好的塑性变形能力。

5.5 结构减震前后在罕遇地震下的弹塑性性能对比

进行单向地震输入作用下的结构弹塑性动力性能分析，得出结构地震作用响应结果(位移角、塑性铰分布等)，以获取不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，主要计算结果如表9所示。

表9 罕遇地震下非减震结构、减震结构最不利

由上可知，该工程通过设置屈曲约束支撑(BRB)，建筑抗震性能得到明显提高，且减震结构单向最不利层间位移角均满足罕遇地震下的减震目标1/100。

根据《建筑抗震设计规范》[5]为了保证“大震不倒”，结构在地震作用下必须具有合理耗能机制，即允许在罕遇地震作用下部分结构构件进入塑性状态。结构耗能性能与结构出铰情况及出铰顺序有关。本节列举了部分地震波在Y向单向输入时结构设置和未设置BRB的典型立面的出铰顺序，来说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况，如图10～图11所示。

由上可知，罕遇地震作用下，减震结构出现梁铰的时间于非减震结构之后，且在第1501步时BRB周围结构构件未进入塑性状态，耗能能力增强，既满足前述罕遇地震下性能目标即“消能减震器的功能仍能正常发挥，消能器周围框架及节点满足构件极限承载力要求”，又体现了其良好的延性性能。

(a)非减震结构在第410步出现梁铰 (b)非减震结构在第1501步出铰情况

(a)减震结构在第421步出现梁铰 (b)减震结构在第1501步出铰情况

6 结语

现代消能减震技术在新能源和半导体产业工业厂房中具有广阔应用前景：

(1)应用消能减震技术可显著减小结构构件截面尺寸，进而降低总混凝土量(约1/10)；既提高了结构方案的合理性，也提升了建筑品质，尤其适用于柱距、层高、荷载、体量均较大的工业建筑。

(2)合理布置消能减震器，可有效减小层间位移角，从而达到既定减震目标，还可获得良好抗震耗能机制和塑性变形能力，显著提高结构主体的安全性。

(3)装配式建筑结合消能减震方法优势突出，不仅提升装配式建筑安全性和工艺性，又能实现成本控制目的。