屈曲约束支撑在轨交高架车站工程的应用

陈 瑜

(上海城建职业学院，上海 200438)

0 引言

屈曲约束支撑[1]又称防屈曲支撑或BRB(Buckling Restrained Brace)，最早发展于1971年的日本，一批日本学者成功研发了最早的墙板式防屈曲耗能支撑，并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验。日本学者还做了带支撑剪力墙的试验，将BRB的概念运用于结构中；1994年北岭地震后，美国也开始对防屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点[2]；1999年美国学者Clark进行了3个大比例屈曲约束支撑的试验，为美国使用屈曲约束支撑的建筑结构的设计和施工提供了技术支持。BRB有以下特点：1)线弹性刚度高，满足规范的变形要求；2)更强和更稳定的能量耗散能力；3)BRB在工厂连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便且经济；4)方便更换损坏的支撑；5)方便调整支撑刚度和强度。基于以上优点，孙建华等[3]以一个实际工程为例，对含屈曲约束耗能支撑的高层建筑钢结构的地震作用效应及抗震性能进行了有限元分析。结果表明：小震作用下，BRB处于弹性状态，为结构提供支撑刚度。在国内应用屈曲约束支撑的代表性建筑有上海国家会展中心、北京建筑大学图书馆等。本文以上海轨道交通17号线赵巷站(图1)站台的顶棚设计为例，主要对此项目中屈曲约束支撑的受力性能及耗能效果进行分析。

图1 赵巷站外观效果图

1 项目概述

如图1所示，赵巷站工程下部为混凝土结构，站台层顶棚采用拱形钢结构，结构总长157m，总宽29.44m，结构标高14.28～25.48m。顶棚结构V形钢柱支承在混凝土框架梁的顶面，V形柱纵向间距14.5m，主拱支承于V形柱柱顶，主拱跨度24.7m。顶棚主钢结构为整体设计，下部混凝土结构设有两道防震缝，防震缝处V形柱替换为BRB支撑，共设置4个BRB支撑。BRB支撑两端与V形柱分叉点和主拱圈焊接连接，V形柱提供纵向刚度, BRB位置对应的系杆采用滑动支座连接。装饰性拱柱支承在混凝土框架侧面，为铰接柱脚。图2为赵巷站的三维轴测图、结构平面图、结构立面图、结构剖面图。

图2 赵巷站的三维轴测图、结构平面图、结构立面图、结构剖面图

2 设计条件

为了协调顶棚钢结构与主体混凝土的变形，也为了增强钢结构本身及整体结构的抗震性能，在赵巷站的顶棚钢结构跨缝中设置了耗能型屈曲约束支撑，如图3～5所示。应用BRB以后，发现其具有优于不设置BRB结构的抗震能力。BRB受压屈服仍然保持承载力，钢结构刚度下降不大，承载力良好，因此整体延性较好。车站在大震作用下具有良好的耗能减震能力，主体结构损伤较轻。BRB在大震作用下屈服以后发挥其耗能作用，耗散结构中的地震能量，保护主体结构，因此主体结构损伤较轻。本项目钢结构斜柱截面为矩形管400×450×16×20，BRB芯材为20mm厚，250mm宽的一字型材，在芯材外包矩形管套筒400×450×12×12，与斜柱尺寸一致，刷完防火涂料及面漆后，整体造型和谐美观，应用BRB后内部效果如图6所示。

图3 BRB所在位置示意图

图4 BRB节点图

图5 屋盖系杆滑动连接节点图

图6 应用BRB后内部效果图

钢屋盖所受外力以荷载的形式施加于站房屋盖屋面上，设计使用年限为100年；结构自重即为钢材重量，由程序自动加载计算,并考虑乘以1.1的节点增大系数；恒荷载：金属屋顶0.2kN/m2，膜屋顶0.01kN/m2；活荷载：施工检修0.5×1.1=0.55kN/m2(100年重现期)；风荷载：基本风压0.6 kN/m2(100年重现期)；地震作用：抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度(0.10g)，结构阻尼比为0.040，场地类别为Ⅳ类，地震分组为第一组，特征周期值为多遇及设防地震0.9s、罕遇地震1.1s；水平地震影响系数最大值为多遇地震0.08、设防地震0.23、罕遇地震0.45；温度作用为±20.0℃。

3 屈曲约束支撑的设计

与普通支撑相比，BRB充当“保险丝”，使顶棚钢结构承载力高，延性与滞回性能好[2-3]，提高框架的抗震性能。

在计算中，大震采用线性计算方法，BRB的力学性能采用两折线模拟，即弹性和塑性两个阶段。BRB在小震下保持弹性，变形为4.35mm(屈服位移为9mm)；在大震作用下，BRB进入塑性阶段，BRB屈服之后，发挥其耗能作用，耗散作用到结构中的主体能量，保护主体结构。

3.1 BRB的选型

本文采用BRB型号为RB-BRB ⅠA-400，在工厂与主体结构进行焊接连接，芯材与砂浆之间加润滑垫层。图7，8分别为BRB结构平面图和剖面图。BRB材料性质如下：芯材形状为一字形，材质为BLY160,其他配件材质为Q235B；屈服承载力为400kN，设计承载力为357.2kN，极限承载力为1 094.4kN；芯材截面面积为2 857.2mm2；支撑长度为7.322m，与水平方向夹角为39.52°；屈服位移为1.0～9.0mm，极限位移为12～150mm。

图7 BRB结构平面图

图8 BRB结构剖面图

3.2 BRB的计算

BRB的工作机理是利用低屈服点芯材的轴向受压、受拉均屈服来耗散地震能量，其侧向稳定性及刚度由外部套筒和芯材之间的混凝土砂浆来保证，计算时无需考虑BRB本身的稳定性和刚度。外部套筒的截面与结构其他部分的钢柱截面一致，其稳定性及刚度均能满足《TJ屈曲约束支撑应用技术规程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求。

首先在有限元软件3D3S中定义BRB的截面为实腹长方形截面，定义材质为BLY160，然后布置BRB，布置位置见图3。对BRB进行端部轴向铰释放。根据各工况及地震组合进行计算分析，整体模型各项指标满足《TJ屈曲约束支撑应用技术规程》(DBJ/CT/05—2011)[4]要求后，得到BRB的相应数据。

根据计算结果，BRB非地震组合作用下最大轴力为304.73kN，小于BRB的设计承载力357.2kN；地震组合下最大轴力为268.03kN，小于357.2/0.75=476.27kN，其中0.75为地震组合系数。

BRB的正应力σ的计算公式为：

(1)

式中：N为BRB的最大设计轴力，N=476.27kN；A为BRB的截面面积，BRB的截面为400×450×20×16，A=31 120mm2。

由式(1)计算可得BRB的正应力σ=15.3MPa，小于其屈服强度fy=295MPa，BRB初步验算满足要求。

4 有限元仿真

4.1 有限元模型

为了进一步分析BRB对钢结构本身及整体结构的抗震性能影响，通过有限元软件3D3S对赵巷站顶棚钢结构在不同荷载工况下的受力性能进行了分析。模型：采用空间结构模型，钢屋盖所受外力以荷载的形式施加于站房屋盖屋面上；边界条件设置为钢结构V形柱和装饰性拱柱与下部结构铰接，BRB两端铰接，释放BRB所在区间的屋面撑杆纵向约束。顶棚的恒荷载、活荷载及风荷载工况见表1～3。

顶棚的恒荷载工况参数 表1

顶棚的活荷载工况参数 表2

顶棚的风荷载工况参数 表3

面恒荷载分布如图9所示，其中实线表示荷载分配到的单元。

图9 面恒荷载分布图

面活荷载分布如图10所示，其中实线表示荷载分配到的单元。

图10 面活荷载分布图

风振系数为1.4，风压高度变化系数由程序自动计算。按照类似结构风洞试验得出的体型系数：迎风面越靠近檐口体型系数越大(体型系数最大值0.80)，背风面越靠近弧顶体型系数越大(体型系数最大值-1.30)。具体的面风荷载分布如图11所示，其中实线表示荷载分配到的单元。

图11 面风荷载分布图

4.2 计算结果分析

结构在设防地震作用下的计算结果如图12所示。使用BRB之后，局部构件上的最大轴力和最大剪力减小，BRB可以保护主体结构并且减小相邻构件受力，可用于顶棚钢结构抗震的设计。

有无BRB时结构的受力性能对比见表4。应用BRB以后，结构轴力减小了25%，结构剪力减小了10%，用钢量节省了16%。

有无BRB时结构的受力性能对比 表4

为了验证BRB的抗震性能，选取了3条天然地震波对钢屋盖进行了罕遇地震作用下非线性地震时程分析，地震波时程曲线见图13，在防震缝对应的支座位置设置了150mm的水平位移。分析比较了有无BRB时的钢屋盖时程分析包络位移，结果发现Fcy波下的包络位移最大。有无BRB时Fcy波下结构的时程分析包络位移见图14，15。

图13 地震波时程曲线

图14 无BRB时Fcy波下结构的时程分析包络位移/cm

有无BRB时结构的抗震性能对比见表5。在施加150mm的水平位移后，在罕遇地震作用下，有BRB的结构位移比无BRB的结构小15%～20%，证明有BRB的结构比无BRB的结构抗震性能更加优越。

图15 有BRB时Fcy波下结构的时程分析包络位移/cm

有无BRB结构的抗震性能对比 表5

5 结论

本工程采用BRB协调顶棚钢结构受力与在主体混凝土中设置150mm宽的防震缝具有重要的作用。分析结果表明：

(1)在设防地震作用下，增加BRB后结构的轴力、剪力以及用钢量均有不同程度的减小。

(2)在罕遇地震分析中，增加BRB后结构的变形、位移有明显减小。