屈曲约束支撑在大型铁路站房中的应用

赵 帅

(铁道第三勘察设计院集团有限公司建筑设计研究分院,天津 300251)

1 屈曲约束支撑介绍

支撑是一种最为经济的抗侧力构件,它既能提高结构的刚度和承载力,又不影响建筑采光以及内部空间的分割,且具有施工方便、造价低等优点。传统的带支撑框架有中心支撑框架CBF(Concentrically Braced Frame)和偏心支撑框架EBF(Eccentrically Braced Frame)。中震和强震时,CBF中的支撑会受压屈曲和受拉屈服,而屈曲会使受压承载力降低,从而限制了支撑作为抗侧力构件的耗能能力,因而大多数抗震规范都对中心支撑的抗震承载力进行调低[1]。EBF通过偏心梁段的屈服,限制支撑的屈曲,可使结构具有较好的耗能性能。但是由于偏心梁段屈服,地震后结构修复较为困难,且支撑的刚度得不到完全发挥[2]。

由于支撑屈曲不利于能量耗散,因此相对于传统CBF提出了一种新的可以避免支撑屈曲的体系,称为屈曲约束支撑钢框架BRBF(Buckling Restrained Braced Frame)[3],屈曲约束支撑(Buckling-restrained Brace)由芯材,外套筒以及套筒内无粘结材料组成(图1)。虽然BRB形式多样,但原理基本相似,利用刚度较大的外套筒拟制中心芯板的屈曲。支撑的中心是芯材(Steel Core),为避免芯材受压时整体屈曲,即在受拉和受压时都能达到屈服,芯材被置于一个钢套管(Steel Tube)内,然后在套管内灌注填充材料,该填充材料具有一定的强度,又有较好的密实性,且耐久性优越。为减小或消除芯材受轴力时传给填充材料的力,而且由于泊松效应,芯材在受压情况下会膨胀,因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层(Gap)。屈曲约束支撑在日本应用较多,在美国、加拿大和我国台湾地区也有使用,我国大陆地区也在推广这种支撑体系,并且在北京、上海、西安等在建建筑中已经开始使用。

图1 屈曲约束支撑的基本构成

屈曲约束支撑的发明解决了普通钢支撑失稳破坏的问题,使钢结构支撑在受拉和受压时性能一致[4],从而大大提高了钢材的利用率,如图2、图3所示。屈曲约束支撑成为了结构的耗能元件,起到结构“保险丝”的作用。屈曲约束支撑结构延性性能好,耗能能力增强,且屈曲约束支撑施工方法与普通钢结构支撑相同,施工进度快,质量可靠。

当结构采用屈曲约束支撑后,建筑物经强烈地震后,主体结构将不会破坏,从而保护建筑物内人员安全和财产安全。

图2 普通支撑试验与滞回曲线

图3 屈曲约束支撑试验与滞回曲线

2 屈曲约束支撑在上海虹桥站的应用

屈曲约束支撑用在混凝土结构的薄弱层、加强层是很好的解决方案。汶川地震存在大量的混凝土框架破坏与倒塌,特别是很多底框的结构,底层结构破坏严重,甚至倒塌。专家建议,增加底部刚度避免薄弱层。另外框架结构只有1道防线,罕遇地震下可能存在倒塌危险,如果在混凝土框架或底层结构的下面1～2层采用屈曲约束支撑,可以形成屈曲约束支撑第一道防线进行耗能,保护混凝土框架与上部结构免于损失,是一种经济可行的好办法。

上海虹桥枢纽车站项目地上六层,其中第一、二层为混凝土结构,高12 m,第三到六层为钢结构。由于建筑要求第一层的9根大柱到第二层抽掉了4根,柱距由9 m变为18 m。所以在第二层形成了明显的薄弱层,地震下层间位移不能满足。如果单纯增加梁柱,由于抽掉的柱较多,几乎是不可行的。唯一方案就是布置支撑,建筑要求可以加支撑的位置非常有限,而普通钢支撑由于稳定及循环荷载折减等问题,支撑截面需要比较大。经过计算后,第二层的刚度增大太多,下面一层反而成了薄弱层,此外,由于普通钢支撑加入后刚度增大很多,地震力加大很多,构件尺寸都需要放大很多,造价增加很多。

由于屈曲约束支撑没有失稳问题,其截面面积较小,刚度正好。支撑加上后一层与二层刚度接近,没有薄弱层了。此外,地震力比普通支撑方案减少很多,造价更加经济。工程最后选用16根6 500 kN的支撑及8根10 000 kN的屈曲约束支撑,长度12～17 m。由于下端直接暴露在室内,采用了铸钢销轴连接,也解决了建筑美观设计问题[5],如图4所示。

图4 结构模型及支撑安装照片

3 屈曲约束支撑在沈阳南站应用的可行性

3.1 东西附楼屈曲约束支撑应用可行性

沈阳南站东西附楼为多层框架结构,抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为7度。将本工程分为3个塔体,分别为1、2、3号塔(图5),平面布置中部分楼层质心与刚心差别较大,造成平面刚度分布不均匀,且由于立面具有局部凹进或者凸出,部分楼层层高变化幅度较大,导致结构立面抗侧刚度分布亦不均匀,在地震下有较为不利的影响。经计算,原结构塔1和塔2受扭转影响较大,二者的周期比均不满足要求。为提高结构抗震性能,减小扭转作用的不利影响,在原结构的某些角部布置屈曲约束支撑,塔1、塔2均为1至4层,呈V形。支撑设置后的外观如图5、图6所示。

图5 东附楼屈曲约束支撑整体布置模型

注：图中椭圆圈中位置为屈曲约束支撑平面布置位置,其他楼层布置与此相同

SATWE模型原结构和屈曲约束支撑方案的周期计算结果如表1所示。

表1 屈曲约束支撑方案周期计算结果的对比

由表1可以看出,在多遇地震作用下,采用屈曲约束支撑结构能够满足现行规范的各项指标控制要求，且加入屈曲约束支撑后的结构体系其整体刚度有所提高,扭转效应对结构的不利影响减小。而在罕遇地震下,屈曲约束支撑进入屈服耗能阶段,将对结构产生较大阻尼,从而有效地减轻了结构的地震反应,利用其很好的滞回耗能能力来耗散地震输入能量,减轻主体结构的损伤。

3.2 中央站房屈曲约束支撑应用可行性

沈阳南站中央站房与东西站房存在同样的问题,立面具有局部凹进或者凸出,部分楼层层高变化幅度较大,导致结构立面抗侧刚度分布亦不均匀,经计算,周期比高达0.96；且中间跨度很大(66 m),挠度不易控制。

图7、图8分别为中央站房原模型和屈曲约束支撑模型,经计算发现,在轨道层和高架夹层局部位置施加支撑后,原来的第二周期由扭转周期变为平动周期,周期比减小为0.85,且由于两边刚度的增大,中间屋盖挠度在“恒+活”组合下由原来的131.5 mm变为120.9 mm,减小了8.1%。

图7 中央站房整体模型

图8 中央站房屈曲约束支撑布置方案

4 结论

(1)在多遇地震下,采用屈曲约束支撑后结构各项控制指标均满足现行规范的要求；而在罕遇地震下,屈曲约束支撑进入屈服耗能阶段,将对结构产生较大阻尼,从而有效地减轻了结构的地震反应,利用其很好的滞回耗能能力来耗散地震输入能量,减轻站房主体结构的损伤。

(2)加入屈曲约束支撑后,站房结构体系整体刚度有所提高,其有助于控制结构周期比,减小了扭转对结构的不利影响,能较好地解决大型站房结构体系复杂、动力学参数难控制等问题。

(3)将新型耗能减震技术应用到结构复杂的大型站房中,响应了创新型国家广泛应用新技术的号召,是未来发展的必然趋势。

[1]连尉安,张耀春.钢支撑及框架-中心支撑双重抗侧力体系研究现状、不足及改进[J].地震工程与工程振动,2005,25(3)：67-75．

[2]田 凯,肖亚明.高层建筑偏心支撑钢框架在地震作用下的动力分析[J].工程与建设,2006,20(3)：214-216．

[3]张耀春,丁玉坤.防屈曲支撑、普通和特殊中心支撑钢框架结构抗震性能分析[J].建筑钢结构进展,2009(5)：3-5.

[4]贾明明,张素梅.采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析[J].东南大学学报,2007,37(6)：1041-1047.

[5]刘晴云,闫锋,汪大绥,常耘.屈曲约束支撑在磁浮虹桥站结构设计中的应用[J].建筑钢结构进展,2009(4)：27-35.