传统的结构抗震方法是通过增大构件截面、采用高强材料等方法来提高结构的刚度和强度,采用“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震概念设计来提高结构的延性,实现建筑“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。但是该方法使建筑结构自身需要承担较大的地震作用,造成材料用量较多;同时,由于利用结构构件本身存储和耗散地震能量,存在震后建筑损伤严重,建筑结构修复量较大甚至无法修复的缺点 ^[1]。一般展览建筑具有层高较高、柱跨较大、结构超长的特点,通常会遇到结构刚度不足和温度应力较大的问题,而两者存在此消彼长的对立关系。在主体结构中设置屈曲约束支撑(BRB),既能适当地加大结构刚度,使其达到合理水平,又能有效地降低温度作用对结构的不利影响,同时BRB在地震作用下产生塑性变形,能够有效地消能减震,降低结构响应,保证主体结构不致于严重破坏。

　　 在中国(淮安)国际食品博览中心项目中,由于展厅功能的特殊性,造成B区层高较高、柱跨较大、结构超长,存在结构刚度不足和温度应力较大的突出问题,故在B区设置BRB,本文对其抗震性能进行研究。

　　 中国(淮安)国际食品博览中心项目位于江苏省淮安市清江浦区内,枚皋路南侧、北京南路东侧。项目规划建设用地约130 313m²,总建筑面积127 766.64m²,其中地上建筑面积94 112.94m²,地下建筑面积33 653.70m²。地上建筑功能主要为展览、会议、商业及服务等,地下建筑功能主要为人防工程、停车库和设备用房。项目实景图如图1所示。

　　 本项目工程抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),工程按8度采取抗震措施。建筑平面长288m,宽171.75m,在建筑功能和布局允许的情况下,为实现结构设计经济、合理,宜分缝。根据建筑平面布置,在○L轴处(图2),利用中庭开洞区域,将结构分为A区、B区两部分,其中A区 ^[2]主要功能为商业配套、报告厅等,B区主要功能为展厅。B区平面尺寸为281m×90m,主要柱网为9m×9m,18m×18m。地上4层(含2层夹层),1层层高16.5m,1层夹层层高6.5m,2层层高13.5m,2层夹层层高8m,总建筑高度为31m;地下1层,层高6.3m,嵌固端为地下室顶板。

　　 B区地上采用带BRB的框架结构,与BRB相连的框架柱采用型钢混凝土柱,框架梁采用钢筋混凝土梁,在钢筋混凝土框架中设置BRB。展厅区域框架柱采用钢管混凝土柱,楼面梁采用钢桁架梁。地下室采用框架-剪力墙结构,剪力墙位置与地上带BRB的框架一致。主要框架柱截面尺寸为800×800,框架梁截面尺寸为500×1 000,型钢混凝土柱截面为800×800(十字形钢骨截面400×200×18×18),钢管混凝土柱钢管截面为ϕ1 200×20;混凝土强度等级为C30,钢材牌号为Q345B。混凝土框架和BRB框架抗震等级均为一级,钢框架抗震等级为三级。B区存在扭转不规则(位移比大于1.2)、楼板不连续(大开洞)和局部不规则(斜柱、个别构件转换),属于不规则的超限高层建筑。

　　 本项目BRB采用耗能型 ^[3],在多遇地震作用下,BRB应保持弹性,在设防地震和罕遇地震作用下应进入屈服。BRB作为结构中附加的主要耗能装置,具有稳定的耗能能力,能减小主体结构的破坏。本项目采用的BRB参数见表1。

　　 在保证建筑功能和美观不受影响的情况下,BRB主要布置在结构的四个角部和楼梯间,另外,沿两个主轴方向(X向、Y向)均有布置,使结构在两个主轴方向的动力特性相近。除在顶层部分位置适当减少BRB的数量外,保证各层BRB在竖向连续布置,采用人字形布置。BRB的布置位置见图3～5。

　　 对框架结构、框架-剪力墙结构、带BRB的框架结构三种结构体系进行了对比,三种结构体系主要指标如表2所示。

　　 当采用框架结构时,由于B区主要功能为展厅,层高较高,虽设置夹层,但夹层开洞范围较大,楼梯间较多,结构刚度小,导致层间位移角大于规范限值1/550,且结构扭转偏大,最大扭转位移比大于1.4(《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)表3中要求的数值)。

　　 当采用框架-剪力墙结构时,可以控制层间位移角满足规范要求,且扭转位移比小于1.4。但由于剪力墙承受了大部分地震力,墙体端部需要设置钢骨;为了满足中震、大震下抗剪要求,还需要设置钢板,即采用钢板剪力墙;同时,本工程结构超长,剪力墙侧向刚度较大,限制了结构温度应力的释放,导致结构在温度作用下受力较大。温度作用下,典型位置框架梁的轴力见表3。

　　 当采用带BRB的框架结构时,通过设置适量的BRB,增大了结构侧向刚度和抗扭刚度,能有效减小结构变形和扭转效应,使地震作用下结构最大层间位移角和扭转位移比均满足规范要求。更重要的是,BRB作为抗震第一道防线,在中震、大震作用下能够屈服耗能,使结构具有消能减震的性能。屈服后的BRB很容易更换,能够保证结构在震后迅速得到修复,还可以作为灾后应急的安全场所。由于底层BRB框架按刚度分配的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的50%(表4),达不到钢支撑-混凝土框架结构 ^[4]的要求,所以本项目结构体系仍定义为框架结构。

　　 另一方面,在温度作用下,带BRB的框架结构典型位置框架梁的轴力为框架-剪力墙结构同一位置梁轴力的0.45～0.6(表3);BRB的最大压力和最大拉力分别为1 401kN和1 214kN,为其屈服承载力6 000kN的0.2～0.3;各层楼板除个别位置由于楼板开洞和板面形状不规则产生局部应力集中,导致拉应力较大外,绝大部分楼板主要轴向应力均在1MPa以内,设计时除根据计算结果进行梁板配筋外,对局部楼板应力集中处还采用了双层附加斜向钢筋进行加强。由此可见,采用带BRB的框架结构,能极大减轻混凝土结构在温度作用下的损伤程度,提高结构的安全和耐久性能。

　　 综上所述,本工程采用了带BRB的框架结构。

　　 采用YJK软件对结构进行小震弹性分析,结构整体计算模型如图6所示。进行小震计算时,需要通过调整BRB的等效截面来控制其屈服承载力,使BRB在小震作用下始终保持弹性。此时,BRB可按普通钢支撑简化计算。

　　 通过对设置和不设置BRB的框架结构进行对比分析(表2)可知,设置BRB后,结构在小震下的周期、最大层间位移角、最大扭转位移比均减小,说明设置BRB很好地改善了结构的抗侧刚度和抗扭性能。

　　 为了保证结构“中震可修”,本项目按中震不屈服进行设计。表5为中震等效弹性分析的计算参数。

　　 采用YJK对结构进行中震等效弹性分析。计算结果表明,除BRB之外,其余构件均能满足中震不屈服的性能目标。在中震作用下,有58个BRB达到屈服承载力,但尚未达到极限承载力,占总数的58.6%,其余BRB轴力为其屈服承载力的0.72～1.0。说明BRB在中震作用下逐渐开始屈服但没有发生破坏,达到了耗能减震的目的。

　　 采用ETABS对结构进行动力弹塑性分析。BRB采用Plastic(Wen)单元模拟,其本构关系选用双线性恢复力模型 ^[5],见图7。核心单元钢材屈服后刚度比α=0.02,其余参数见表1。框架采用具有非线性铰特性的梁柱单元,混凝土梁两端为M3铰,混凝土柱和型钢混凝土柱两端为Fiber P-M-M铰。

　　 按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[4],本工程罕遇地震动峰值加速度取为220gal。

　　 选用2条天然波和1条人工波,每条波包含X向、Y向的双向分量,分别按X向、Y向为主方向两种工况进行计算,三条波共6种工况,每一种工况主、次方向的峰值加速度比为1∶0.85。对所有地震波进行时程分析时,需对其峰值加速度进行修正,各条地震波峰值加速度统一调幅至220gal。

　　 取三条波时程曲线输入,时程计算结果采用包络值。X向为主方向输入时,结构最大层间位移角为1/136;Y向为主方向输入时,结构最大层间位移角为1/150;最大层间位移角发生在2层。同时,在相同地震波作用下对未设置BRB的框架结构进行计算,得到两种结构体系的层间位移角,如图8所示。

　　 从图8可知,在大震作用下,带BRB的框架结构的各层抗侧刚度变化均匀,能够满足规范限值1/550要求。

　　 图9为结构在大震作用下框架梁、框架柱的塑性铰分布情况。

　　 塑性铰按损坏等级分为未损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、重度破坏5个等级 ^[6]。计算结果表明,有24%的框架梁发生轻微损坏,1%的框架梁出现轻度损坏;仅13%的框架柱在嵌固端出现轻微损坏。框架梁的塑性铰出现在两端,数量比框架柱塑性铰多,且损伤程度大于框架柱,符合“强柱弱梁”的抗震设计要求,损伤机制合理。

　　 通过绘制BRB的内力-位移滞回曲线,可直观地得到BRB的受力、屈服状态和耗能状况 ^[7]。选取2层中间楼梯间位置的BRB的滞回曲线,见图10。可见,BRB滞回曲线形态饱满,滞回环围成的面积较大,表明BRB进入屈服状态后发挥了较好的耗能作用。

　　 消能器的支撑或连接元件或构件、连接板应保持弹性 ^[3]。因此,有必要对BRB与框架的连接节点进行分析,以反映节点的受力状态。图11为BRB1对应的受力最大位置的框架梁中间节点,钢材采用Q345B,钢筋为HRB400,混凝土强度等级为C30。对此节点采用ABAQUS进行静力弹塑性有限元分析。

　　 对节点进行适当简化,忽略栓钉在混凝土与钢板受力分析中的影响;模型中混凝土、钢板采用实体单元C3D8R模拟,钢筋采用桁架单元T3D2模拟;并将钢筋通过EMBED命令嵌入混凝土中。混凝土与钢板界面采用绑定约束 ^[8]。

　　 混凝土单轴受压、受拉应力-应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2016年版) ^[9]中的模型,材料属性采用混凝土塑性损伤模型,并将等效塑性拉应变和等效塑性压应变作为混凝土破坏机制的控制变量。钢筋、钢板的材料属性采用理想弹塑性模型。

　　 根据节点的结构特征,在框架梁左端施加固端约束;框架梁与斜向支撑BRB端利用结构分布耦合功能 ^[10],对BRB仅施加大震下最大轴向载荷,对框架梁施加轴向扭矩、平面内弯矩、轴力。

　　 节点应力云图如图12所示。由应力结果可看出,在BRB与连接板相连的边缘处存在局部应力集中,BRB插板端部也出现一定程度的应力集中,最大应力为230.6MPa。混凝土出现了受拉损伤并破坏,钢筋未发生屈服,钢筋最大拉应力为305MPa。

　　 (1)在多遇地震作用下,带BRB的框架结构整体保持弹性,BRB的设置提高了结构的抗侧和抗扭刚度,使结构各层刚度更均匀,各项计算指标均能满足规范限值要求;在设防地震作用下,半数以上BRB进入屈服阶段,其余BRB接近屈服状态;在罕遇地震作用下,得益于BRB消耗了大量能量,保护了主体结构构件,框架梁、框架柱仅发生轻微损坏,结构具有很好的安全储备,抗震性能较好。

　　 (2)在层高较高、柱跨较大、结构超长的展览建筑中采用带BRB的框架结构,既能适当地加大结构刚度,使其达到合理水平,又能有效地降低温度作用对结构的不利影响,较之布置少量剪力墙的框架-剪力墙结构,无论是在弹性阶段还是弹塑性阶段,带BRB的结构性能都更好。特别是在中震、大震作用下,虽然BRB发生一定程度的耗能损坏,但BRB很容易更换,使得建筑在震后可以迅速恢复功能,也可作为震后应急的安全场所使用。