对于物流类建筑, 通常有两个特征:1) 对于交通组织流线的要求较高;2) 建筑内部需要储存大量货物。根据以上特征, 物流类建筑在设计上会存在以下几个特点:1) 建筑的等效均布荷载较大;2) 各个楼层的层高较高;3) 各层均可能会由于中型或重型载货汽车的进入而存在大跨结构部分。

　　 按照以往的工程经验, 一般采用框架或框架-剪力墙结构形式进行结构方案的比选和设计。但由于物流类建筑的特点, 特别是在高烈度地区, 按传统结构体系设计的建筑由于结构构件尺寸较大, 会对交通组织及货物存储量造成影响, 无法充分利用建筑功能;其次, 采用消能减震结构, 相当于为结构主体增设一道抗震防线, 通过阻尼器耗能来保护主体结构;最后, 通过经济性分析, 采用消能减震技术将会降低土建成本。因此本文拟采用消能减震技术, 即采用屈曲约束支撑 (BRB) 和支撑式剪切型阻尼器 (MD) 的混合使用方式 (BRB+MD) 的框架体系对结构进行设计。

　　 北京鲜活农产品流通中心位于北京市朝阳区双桥西路与大鲁店北路交汇路口南侧, 建筑平面东西宽约为690m, 南北长约为210～280m, 总建筑面积为60万m²。本工程主要分为两大功能区, 即西侧综合服务区和东侧交易区。本文主要探讨的是交易区部分建筑的结构方案选型。

　　 东侧交易区结构地下不分缝, 地上部分分成8栋相互独立的结构, 分别为1#楼、2#楼、3-1#楼、3-2#楼、4#楼、5#楼、6#楼、7#楼, 详见图1。地下2层, 埋深约17.4m, 嵌固部位为地下室顶板。地上4～5层, ±0.00以上建筑高度为24～30m, 均为高层建筑。

　　 本工程抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 场地类别为Ⅲ类, 设计地震分组为第一组, 特征周期为0.45s。由于建筑使用性质要求, 本建筑抗震设防为重点设防类, 设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级。

　　 根据《北京鲜活农产品流通中心物流顾问报告》及业主使用要求, 考虑到存货及楼面上车要求, 各层楼面等效均布活荷载标准值取为15～25kN/m², 约占结构总质量的1/4～1/3。设计时按规范要求考虑活荷载不利布置对结构构件的影响。

　　 由于交易区8个楼栋结构体量基本相同, 建筑功能及基本布置相似。故本文以其中典型楼栋5#楼为例进行分析比较。5#楼 3层结构顶板平面图见图2。

　　 5#楼基本柱网尺寸为9.0m×9.0m, 9.0m×18.0m, 地下2层, 地上4层, 各层层高均为6～7m, 总高为24～28m。各层混凝土材料:梁板采用C30;框架柱及剪力墙采用C60;钢筋均采用HRB400。综合考虑抗浮以及后期使用等因素, 各层结构平面选用框架梁+大板体系, 板厚取250～300mm。

　　 结构首先选择框架结构方案进行设计, 结构初步计算采用PKPM (V3.1版) 软件, 结构抗震设计参数均按实际取值, 周期折减系数取为0.8。框架柱截面尺寸:首层及2层取为1 000×1 400, 2层及以上取为1 000×1 200;需要考虑建筑的净高要求, 框架梁截面尺寸取为500×900, 600×1 500。

　　 由于建筑功能需要, 各层层高较高, 各层均布荷载较大, 导致结构整体的地震作用较大。框架结构体系本身的刚度较小, 为满足规范对于框架结构的变形要求, 需要将各层框架柱截面加大, 保证结构的整体刚度。由于框架结构体系本身只有一道防线, 结构整体抗震性能较差, 且框架柱截面尺寸增大对建筑的交通流线造成较大影响。

　　 按照框架-剪力墙结构方案进行设计, 结构初步计算采用PKPM (V3.1版本) 软件, 结构抗震设计参数均按实际取值, 周期折减系数取为0.85。为满足受力及变形要求, 框架柱截面尺寸取为1 000×1 000;框架梁截面尺寸可按照框架结构方案选取;利用建筑的交通核布置剪力墙, 为保证满足规范的剪力墙间距, 也需要在交通核之间布置剪力墙, 剪力墙墙厚取为600mm。框架-剪力墙结构方案布置如图3所示。

　　 相对于框架结构体系方案, 框架-剪力墙结构体系刚度更大, 可以较容易地满足结构的变形要求, 并且剪力墙和框架形成的二道防线可以保证结构整体有更好的抗震性能。但由于建筑功能要求, 剪力墙的布置较少, 墙间距较大, 在建筑角部的墙肢容易出现受拉应力, 墙体需要配置型钢和钢板方可满足受力要求, 将会提高结构造价并会极大提高施工难度。

　　 综合以上两个方案的利弊, 结构体系采用框架+消能减震结构方案进行设计。该方案在框架-剪力墙结构体系的基础上, 取消全部的剪力墙, 在原有剪力墙的位置布置消能减震构件。

　　 本工程消能减震结构采用BRB+MD混合体系。从整体结构特点出发, 考虑到首层层高较高, 地震作用最为显著, 为改善结构整体的变形能力, 因此在首层布置BRB, 以提高在小震作用下的结构刚度。在首层以上各层布置MD, 以减小结构整体的地震作用, 最终达到提高结构抗震性能的目的。

　　 根据以上原则, 对整体结构进行结构布置。框架柱截面尺寸取为1 000×1 000;需要考虑建筑的净高要求, 框架梁截面尺寸取为500×900, 600×1 500。BRB采用“V字形”撑或“人字”撑, 屈服力主要为2 200kN;MD屈服力为800～1 500kN。

　　 本工程BRB+MD体系的合理性可从抗震理论上进行分析, 其减震原理可通过地震反应谱曲线反应, 见图4。T₀为原结构周期, T₁为布置了消能减震结构的周期。其中步骤Ι为增加BRB后的结构周期, 步骤Ⅱ为在设置BRB基础上增加MD后的结构周期。

　　 [T₁]为BRB+MD体系的周期合理限值。若T₁>[T₁]时, 结构整体刚度的提高小于地震作用的增加, 这种体系的布置在合理范围内;若反之, 结构整体刚度的提高将大于地震作用的增加, 这时结构体系不宜再布置BRB, 布置MD更为高效^[1]。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) 的推导公式:

　　 $[{\rm T}{}_1]=\left[\frac{({\rm T}{}_0-{\rm T}{}_{\text{g}})({\rm T}{}_{\text{g}}){}^{\gamma }\gamma }{1-\left(\frac{{\rm T}{}_{\text{g}}}{{\rm T}{}_0}\right){}^{\gamma }}\right]{}^{\frac{1}{1+\gamma }}(1)$

　　 式中γ为衰减指数。

　　 可求得[T₁]=0.71s<T₁=0.87s, 因此证明布置BRB+MD体系的选择在理论上是合理的。

　　 采用PKPM (V3.1版本) 软件对结构进行建模, 由于在小震作用下BRB未屈服, 主要考虑BRB对整体结构提供刚度, 不提供阻尼, 因此小震作用下BRB采用普通钢支撑进行等代刚度模拟。对于MD, 考虑其小震屈服后耗散部分能量为整体结构提供附加阻尼, 按各层层间剪力及变形经反复迭代布置MD, 计算模型设置的阻尼器承载力分别为1 333.33, 1 466.67, 1 400, 800, 1 000, 700, 500kN, 屈服位移为1mm。

　　 由于在小震作用下需要阻尼器耗能来减小地震作用, 小震作用下剪切型阻尼器附加阻尼比计算方法采用《建筑消能减震技术规程》 (JGJ 297—2013) ^[3] (简称消能减震规程) 第6.3.2条规定, 规定如下:

　　 $\begin{array}{l}\xi {}_{\text{a}}=W{}_{\text{c}}/4\text{π}W{}_{\text{s}}(2)\\ W{}_{\text{c}}={\displaystyle \sum \psi }F{}_{\text{d}\text{m}\text{a}\text{x}}\Delta {}_{\text{d}\text{m}\text{a}\text{x}}(3)\\ W{}_{\text{s}}={\displaystyle \sum \frac{1}{2}}F{}_{i}u{}_i(4)\end{array}$

　　 式中:ξ_a为附加有效阻尼比;W_c为消能部件往复循环一周所消耗能量;W_s为消能减震结构在水平地震作用下的总应变能;F_i为质点i的水平地震作用标准值;u_i为质点i对应于水平地震作用标准值的位移;ψ为阻尼指数函数;F_dmax为消能器在相应水平地震作用下的最大阻尼力;Δ_dmax为消能器两端的相对水平位移。

　　 为了避免消能减震规程方法计算困难的问题, 采用编程实现阻尼器等效刚度和结构阻尼比自动迭代, 并根据迭代收敛后的等效刚度和阻尼比计算结构配筋。结构各迭代步结构阻尼比见表1。

　　 考虑阻尼器所在跨框架梁转角变形所产生的无效位移影响后, 经小震反应谱振型能量叠加计算出的两方向附加阻尼比均超过3%。

　　 小震作用下三种方案的自振周期结果见表2。框架结构由于层高较高, 结构质量较大, 抗扭刚度较弱;框架-剪力墙结构和框架+消能减震结构都可以通过在建筑角部设置剪力墙或支撑增强整体结构的抗扭刚度。

　　 小震作用下三种方案的地震作用计算结果见表3。框架+消能减震结构的地震作用与框架结构的地震作用基本相同, 但由于BRB+MD在减小地震作用的同时还承担了一部分地震力, 相当于起到了二道防线的作用, 提高结构整体的抗震性能。

　　 小震作用下三种方案的层间位移角计算结果见表4。框架+消能减震结构的层间位移角均小于1/800, 小震作用下结构的整体变形能力可以满足抗规对于框架-剪力墙结构的要求。

　　 小震作用下, 通过对三种结构方案整体指标及实际受力配筋的对比可知, 小震作用下框架结构及框架-剪力墙结构均采用“抗”的办法解决结构抗震的问题。但是由于结构本身质量较大, 层高较高, 框架结构的变形问题和框架-剪力墙结构的竖向构件受力问题是这两类方案较难解决的问题。但采用框架+消能减震结构体系, 可以通过BRB+MD耗散地震能量, 使得原结构承受的地震作用显著减小, 即采用“消”的办法解决结构抗震问题。从小震作用下计算结果来看, 各单体框架本身承担的地震剪力减小了15%～25%, 消能减震结构可以发挥相当于一道抗震防线的作用;框架+消能减震结构体系抗震性能更好, 可以满足结构“小震不坏”的要求。

　　 本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法, 直接模拟结构在地震作用下的弹塑性反应。

　　 计算软件采用结构动力弹塑性计算软件SAUSAGE。在本工程的弹塑性地震反应分析模型中, 所有对结构刚度有贡献的结构构件均按实际情况模拟。该弹塑性地震反应分析模型可划分三个层次:1) 材料模型;2) 构件模型;3) 整体模型。材料的本构模型加构件的截面几何参数得到构件模型, 构件模型通过节点的几何连接形成了整体模型。

　　 钢材的弹塑性材料模型采用双线性随动硬化模型 (图5) , 在循环过程中, 无刚度退化, 考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为1.2, 极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。混凝土本构模型采用弹塑性损伤模型。

　　 杆件弹塑性模型采用纤维束模型 (图6) , 主要用来模拟梁、柱、斜撑和桁架等构件。剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元。

　　 根据抗规第5.1.2条的规定, 选择3条波 (两向) 进行计算分析, 其中2条天然波 (L0145和L0070) 和1条按规范反应谱合成的人工波 (RGB1) , 3条地震波的反应谱曲线见图7。

　　 在结构进行设防烈度地震和罕遇烈度地震下分析时, 地震波的幅值分别调整到设防烈度地震和罕遇地震水平, 并取3条波作用下结构反应的最大值作为时程分析的代表值。

　　 根据表5, 每条时程曲线计算所得的结构基底剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%, 3条时程曲线计算所得的结构基底剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%, 满足抗规要求。

　　 各组地震动作用下大震弹塑性最大顶点位移和最大层间位移角结果见表6, 各层大震作用下弹塑性层间位移角见图8。从结果来看, 本工程大震弹塑性变形满足抗规要求, 可以实现结构“大震不倒”。

　　 根据结构动力学的基本力学公式^[4], 本工程的结构的地震能量输入E_EQ为:

　　 $E{}_{\text{E}\text{Q}}=E{}_{\text{Κ}}+E{}_{\text{D}}+E{}_{\text{F}}+E{}_{\text{S}}(5)$

　　 式中E_K, E_D, E_F, E_S分别为结构体系的动能、阻尼耗能、变形能和阻尼器耗能。

　　 由SAUSAGE软件分析得到的人工波RGB1作用下结构耗能及等效阻尼比见图9。

　　 通过大震作用下的结构耗能分析, 结构在大震作用下, 由于BRB达到屈服参与耗能, 消能减震结构体系即BRB+MD体系耗能可以达到70 000J左右, 占结构总耗能的35%左右, 可以有效减小主结构的地震作用, 有效保护了主体构件, 提高结构整体的抗震性能, 实现“大震不倒”。

　　 大震作用下, BRB也可作为耗能构件发挥一部分耗能作用。大震作用下两种消能减震结构的最大出力及相对应的位移详见表7。图10为大震作用下首层阻尼器 (BRB) 滞回曲线。

　　 通过图10及表7可知, MD的滞回曲线比BRB的滞回曲线更饱满, 说明在大震作用下剪切型阻尼器耗能能力更强。

　　 (1) 对比框架结构、框架-剪力墙结构及框架+消能减震结构体系的小震分析结果, 在高烈度地区, 框架+消能减震结构体系良好的抗震性能, 更适用于诸如物流类建筑这种高层高、重荷载、大跨度的高层建筑。

　　 (2) 当采用BRB+MD这种混合使用的消能减震结构体系时, 需要首先判断消能减震的周期合理性, 保证消能减震的布置更加合理和高效。

　　 (3) 通过对框架+消能减震结构体系的大震弹塑性时程分析, 可知在大震作用下消能减震部分可以有效保护主体构件, 实现结构“大震不倒”。

　　 (4) 在方案设计阶段, 需要重视对不同结构方案进行比选, 最终选择更加合理的结构方案有助于结构设计的安全可靠。