中建滨湖设计总部项目是中国建筑西南设计研究院有限公司第三办公楼。建筑面积7.8万m²,建筑由南向北呈阶梯形变化,左侧为2～6层,右侧为2～7层,标准层层高4.5m,屋面最高标高为31.450m。建筑效果见图1。

　　 该楼设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑抗震设防类别为标准设防类,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.45s。本工程采用了预制柱、叠合梁、桁架钢筋叠合板、空心叠合板,根据《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[1]表4.0.1装配式建筑评分表,该工程主体结构得分为40分。

　　 由于建筑呈阶梯状,需提高北侧结构刚度,减小结构在水平地震作用下的扭转效应。在框架体系的范畴下,在结构北侧边榀处设置BRB-装配式铰接框架(图2和图3),BRB表示防屈曲支撑。

　　 整栋建筑作为一个结构单元,未设置防震缝,框架抗震等级为二级,BRB采用“人”字形布置,BRB所在榀框架抗震等级提高至一级。小震作用下BRB保持弹性,设防地震及罕遇地震作用下BRB屈服耗能,罕遇地震作用下BRB所在榀框架柱不屈服。BRB-装配式铰接框架所在榀预制框架梁、钢梁、预制框架柱截面及配筋见图4,BRB参数见表1。

　　 装配整体式框架结构由于连接部位范围小、预制构件制作简单、效率高、质量易于保证,是装配式公共建筑主要的结构体系。但框架结构刚度和冗余度低,工程应用时,尤其在高烈度地区其高度往往受到一定限制。

　　 为了增加结构刚度,可以增设普通钢支撑。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[2](简称《抗规》)附录G明确了钢支撑-混凝土框架结构抗震设计要求:混凝土框架部分承担的地震作用,应按框架结构和支撑框架结构两种模型计算,并宜取两者的较大值。这种包络设计的要求在一定程度上限制了钢支撑-混凝土框架结构在工程中的应用范围。

　　 为解决普通钢支撑受压屈曲问题,同时增强结构的耗能能力,学者们研发出BRB,并对BRB-混凝土框架的抗震性能进行了研究:文献[3]采用SAP2000软件通过对比分析BRB-混凝土框架和混凝土框架结构得出,框架结构中增设屈曲约束支撑可以为结构提供足够的耗能能力,实现多道设防的目的; 文献[4]从抗震性能出发,对BRB-混凝土框架结构的弹性层间位移角限值进行了研究,并给出了设计建议; 文献[5]研究了BRB在超高层混凝土结构中的适用性,分析了有无BRB的超高层混凝土结构的抗震性能,研究表明BRB代替部分剪力墙,应用于超高层混凝土结构中,其抗震是可行的; 文献[6]对比分析了现浇框架和BRB-装配式框架,表明两者弹性和弹塑性位移角均满足《抗规》要求,屈服位移近似,但在屈服承载力、极限承载力、破坏荷载、极限位移方面BRB-装配式框架均大于现浇混凝土框架。

　　 《TJ屈曲约束支撑》(第四版设计手册)指出,对于BRB-混凝土框架结构体系,无需计算无支撑纯框架的地震作用,仅需要对BRB-混凝土框架整体进行内力计算以作为设计依据。

　　 根据文献[7,8,9]及《TJ屈曲约束支撑》(第四版设计手册)可知,不论是BRB-混凝土框架还是BRB-装配式混凝土框架,相对于框架结构都具有刚度大、水平承载力高、耗能能力强等特点,可以广泛应用于工程实践。以上研究均限于所有梁柱节点采用刚性连接,BRB-装配式框架结构的典型连接节点见图5。

　　 现浇结构钢筋位置的可调性强,BRB所在跨梁柱节点刚接尚具有可操作性,但对于装配式结构,图5所示梁柱节点现场实施难度较大:1)叠合梁上部的“架空”预埋板不仅影响叠合梁的制作和运输,而且影响梁上部纵筋安装和叠合层混凝土的浇筑; 2)预制柱底预埋件的锚筋易和灌浆套筒发生碰撞; 3)预制柱预埋板会影响套筒灌浆口的设置,增加灌浆通道的长度。

　　 BRB-装配式框架中,结构抗侧刚度和抗侧承载力主要由斜撑提供,受力原理如同桁架,可在梁柱适当部位采用铰接,以简化构件连接。因此,本工程提出了BRB-装配式铰接框架,其力学模型见图6,其典型连接节点见图7。

　　 BRB-装配式铰接框架的主要特点如下:1)BRB所在跨框架梁采用钢梁,钢梁端采用铰接连接构造; 2)预埋件设置在梁柱节点现浇区域,以简化预制构件制作; 3)BRB所在跨与普通框架跨共同形成抗侧力体系。

　　 对于梁柱铰接的BRB-装配式框架,有学者进行了试验研究。文献[7]对一个足尺BRB-装配式铰接框架进行了振动台试验;文献[8]设计了4个BRB-装配式铰接框架试件和1个BRB-现浇框架试件,往复加载试验表明该BRB-装配式铰接框架具有较强的变形能力,能够满足抗震设计要求。

　　 为了研究BRB-装配式铰接框架在地震作用下的力学性能,以图3所示单榀三跨框架为例,在MIDAS Gen软件中,建立框架结构、BRB-装配式框架、BRB-装配式铰接框架3个二维模型,进行Pushover对比分析。其中,框架结构、BRB-装配式框架和BRB-装配式铰接框架中混凝土梁、柱的截面尺寸和配筋均相同,梁、柱截面信息见图4。

　　 根据受荷面积,楼面梁的附加线恒荷载、线活荷载分别取58.8,16.8kN/m; 屋面梁取92.4,16.8kN/m。

　　 通过单元两端塑性铰区的定义,考虑梁、柱单元的非线性。梁铰、柱铰类型为弯矩-旋转角(M-θ)型,柱铰考虑双向受弯。梁铰、柱铰对应的骨架曲线选用FEMA类型(图8)。BRB本构采用双折线模型,屈服后刚度取初始刚度的5%,BRB屈服承载力见表1。

　　 对结构施加位移控制的推覆力,推覆力分布模式取结构第一阶模态。通过施工模拟,考虑BRB在主体结构完工后才开始安装这一施工过程,以真实反映BRB抵抗水平地震作用的能力。

　　 Pushover分析所得框架结构、BRB-装配式框架和BRB-装配式铰接框架的基底剪力-顶点位移曲线见图9。由图9可以看出,三条曲线均存在明显的双线性趋势,在达到峰值剪力后结构失效,基底剪力骤降。采用能量法确定结构屈服状态 ^[6],峰值基底剪力点对应结构极限状态,将结构极限位移与屈服位移的比值定义为延性系数。

　　 框架结构、BRB-装配式框架和BRB-装配式铰接框架的延性系数见表2。由表2可以看出,相对于框架结构,BRB-装配式铰接框架由于加入了BRB,其极限承载力明显增加,极限顶点位移和结构变形能力相近; 相对于BRB-装配式框架,由于支撑所在跨梁端铰接,BRB-装配式铰接框架极限承载力减小,极限位移明显增加,延性系数增加。可见,BRB-装配式铰接框架抗水平作用承载力较高,侧向变形能力大,结构延性优良。

　　 按照《抗规》罕遇地震设计反应谱,采用FEMA440等效线性法,将Pushover性能曲线图中能力谱曲线与需求谱曲线的交点作为结构目标位移,框架、BRB-装配式框架和BRB-装配式铰接框架三种结构在罕遇地震作用下的Pushover性能曲线及层间位移角见图10,11及表3。由图10,11及表3可以看出,罕遇地震作用下BRB-装配式铰接框架的层间位移角明显小于框架结构,略大于BRB-装配式框架; 同时基底剪力最大值大于框架结构,小于BRB-装配式框架,说明BRB-装配式铰接框架的整体刚度介于框架结构和BRB-装配式框架之间。

　　 此时,BRB-装配式铰接框架的结构顶点位移D_top为87.0mm,远小于极限位移351.0mm; 结构的最大层间位移角为1/355,满足“大震不倒”的要求,且延性较好。

　　 根据《抗规》确定该框架结构构件的性能水准,见表4,其中框架梁柱的性能水准、性能段以及对应的最大塑性变形(可接受准则)参考ASCE/SEI 41-06 ^[9]执行。

　　 罕遇地震作用下,各结构构件性能状态见图12。由图12可以看出,罕遇地震作用下,框架结构2层部分梁端和个别底层柱下端进入运行控制性能段,达到了IO性能水准,其他构件均在弹性控制性能段,为OP性能水准; BRB-装配式框架和BRB-装配式铰接框架构件性能状态基本相同,均为4层以下BRB屈服,5,6层BRB处于弹性阶段,梁、柱均在弹性控制性能段,为OP性能水准。说明在罕遇地震发生时,BRB可以集中消耗地震能量,确保其他结构构件的功能性,使震害损失得到有效控制。

　　 极限状态时构件的性能状态见图13。由图13可以看出,极限状态下框架结构底层柱下端和梁端进入破坏控制性能段,能够达到LS性能水准,个别构件进入有限安全性能段,达到了CP性能水准,底层柱下端和下部多层梁端过度损伤导致了结构失效。

　　 BRB-装配式框架的极限状态为4层以下BRB屈服,5,6层BRB仍处于弹性阶段,底层柱下端进入破坏控制性能段,达到LS性能水准,个别柱下端进入有限安全性能段,达到CP性能水准,梁端进入破坏控制性能段,达到LS性能水准,梁、柱端的过度损伤导致了结构失效。

　　 BRB-装配式铰接框架的极限状态为所有楼层BRB屈服,底层柱下端进入破坏控制性能段,达到LS性能水准,无BRB跨的梁端进入破坏控制性能段,达到LS性能水准,其他构件均在弹性控制性能段,为OP性能水准,底层柱下端和无BRB跨梁端的过度损伤会导致结构失效。

　　 综上所述,相对于BRB-装配式框架结构,BRB-装配式铰接框架更能充分发挥BRB的耗能能力; 同时,极限状态下将梁、柱损伤集中在结构局部,大部分混凝土构件可以免于损伤,有效控制大震过后结构的维护成本。

　　 对结构整体模型进行弹塑性分析,结果表明,在罕遇地震作用下北侧BRB所在榀的最大层间位移角为1/239,大于该榀按照平面计算时的最大层间位移角(1/355); 同时,整体分析时该榀各个楼层BRB均发生屈服,框架柱均未屈服。

　　 整体模型和单榀计算结果存在差异的原因有两点:其一,整体结构布置不规则,BRB-装配式铰接框架位于结构北侧边榀,扭转影响较大; 其二,BRB可以增加该榀框架刚度,整体分析时承担的地震作用大于按受荷面积分摊的地震作用。

　　 (1)在工程北侧边榀设置BRB-装配式铰接框架,有效地调整了结构刚度,减小了结构扭转。BRB-装配式铰接框架相对于纯框架延性好、耗能能力强。

　　 (2)BRB-装配式铰接框架在BRB所在跨梁柱铰接,节点构造简单,制作、安装效率高。工程实践证明,BRB-装配式铰接框架抗震性能好,可广泛应用于工程实践。

　　 (3)BRB所在榀所有梁柱均采用铰接、BRB和钢梁梁端直接连接等构造做法可以进一步简化节点构造,但这些需进一步深入研究。