某8度区铁路站房结构减震分析设计

裴新新，程俊飞

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102627； 2.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

随着社会经济水平的不断提高，在高烈度区建设工程中通过采用隔震减震技术，来提高结构抗震性能的工程案例越来越多。屈曲约束支撑作为目前较为常见的一种减震技术，被广泛应用于各类新建混凝土框架结构、钢框架结构及加固改造项目中。高杰等［1］针对北京市轨道交通指挥中心（二期项目），采用理论分析及试验方法研究了普通钢支撑和屈曲约束支撑两种支撑相结合的框架结构体系的抗震性能，研究表明结构中采用的屈曲约束支撑耗能性能良好，有效保证了结构的抗震性能。高鹏等［2］研究了采用屈曲约束支撑加固后的钢筋混凝土框架结构，分析表明加固后结构屈服破坏顺序为支撑-梁-柱，结构冗余度增加。张国伟等［3］研究了带有屈曲约束支撑的高层钢框架结构的抗震性能，结果表明屈曲约束支撑的使用可大幅减少原框架结构构件的塑性耗能比例。陈颖智［4］研究了屈曲约束支撑在钢框架高层超限结构中的实践应用，结果表明屈曲约束支撑在罕遇地震下具有良好的耗能能力。黄锐等［5］分析提出了混凝土框架-屈曲约束支撑结构的最大适用高度、合理的附加刚度、适宜的层间位移角限值，并研究了结构在罕遇地震下的抗震性能，结果表明采用屈曲约束支撑后，混凝土主体框架更易成为 “损伤可控结构” 。薛彦涛［6］提出了屈曲约束支撑-钢筋混凝土框架结构的一些设计建议和抗震措施。

近年来，铁路行业发展迅速，铁路站房建设覆盖区域越来越广。采用框架结构体系的高烈度区铁路站房在不采用减隔震措施的情况下，为满足结构抗震性能要求，结构构件设计尺寸一般较大，不利于建筑功能的实现和建筑材料的节约。本文将屈曲约束支撑减震技术应用于铁路站房的结构体系中，对结构在多遇地震作用和罕遇地震作用下的抗震性能进行分析，研究屈曲约束支撑在高烈度区铁路站房中的应用价值［7］。

1 结构建模

1.1 工程概况

本工程位于云南省昆明市，主站房地上两层（含局部夹层），总建筑面积为3 000 m2。首层为候车厅、售票厅、售票办公及出站厅，层高6 m；2层为设备及办公用房，布置于候车厅两侧，层高5 m。站房主体结构为钢筋混凝土框架结构，候车厅上方采用混凝土屋盖，屋盖大跨度梁（跨度为27.900 m）采用后张有黏结预应力技术。

根据TB 10100—2018铁路旅客车站设计规范［8］第7.1.3条，本工程的抗震设防类别为标准设防类（丙类），该结构所在地区的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.3g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45 s。

1.2 减震设计目标

为了同时满足结构抗震要求和建筑使用需求，在不增大梁柱构件截面尺寸的情况下，采用屈曲约束支撑减震技术。减震设计目标为：

1）多遇地震作用下，屈曲约束支撑不发生滞回耗能，只提供附加刚度，控制结构层间位移角。根据《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》［9］的规定，多遇地震下层间位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震设计规范［10］限值的90%，即1/605。

2）在罕遇地震作用下，屈曲约束支撑发挥耗能作用，考虑构件及阻尼器弹塑性性能后，根据《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》，罕遇地震下层间位移角限值取GB 50011—2010建筑抗震设计规范限值要求的50%，即1/100。

1.3 减震模型建立

根据JGJ 297—2013建筑消能减震技术规程［11］第6.2.1条关于消能部件的布置要求，在结构中布置屈曲约束支撑，同一位置上下两层连续布置，支撑布置平面示意图及立面示意图如图1所示。本文采用的屈曲约束支撑力学模型为双线性模型，主要参数有初始刚度、屈服位移、屈服强度和屈服后刚度比等，具体参数取值见表1。

图1 屈曲约束支撑布置示意图

表1 屈曲约束支撑主要参数

2 结构分析

2.1 反应谱分析

多遇地震作用下，分别对设置屈曲约束支撑的减震结构和不设置屈曲约束支撑的非减震结构，进行多遇地震作用下的振型分解反应谱法分析，比较两个结构模型的层间位移角。结构最大层间位移角对比结果见表2。

表2 多遇地震作用下结构最大层间位移角对比

由表2可知，多遇地震作用下，屈曲约束支撑的设置，有效地增大了结构的整体刚度，减小了结构最大层间位移角，满足多遇地震作用下的结构减震设计目标要求。

2.2 地震记录的选取

地震记录的选取须满足GB 50011—2010建筑抗震设计规范5.1.2条规定，同时需要满足《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》的相关规定：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的95%。

本报告选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，地震波反应谱和规范谱对比如图2所示。图中7条地震波在结构第一振型周期处对应的水平地震影响系数平均值与规范谱相差不超过20%。

图2 地震波反应谱与规范谱对比

2.3 弹性时程分析

采用PKPM-SAUSAGE软件对减震结构进行多遇地震作用下的弹性时程分析。

2.3.1 楼层剪力和最大层间位移角

多遇地震下，对结构进行弹性时程分析。各时程波作用下结构楼层剪力与反应谱方法计算的楼层剪力对比结果见表3。

表3 各地震波时程分析与反应谱计算的楼层剪力对比kN

由表3可知，反应谱法各楼层剪力计算结果均大于时程分析计算结果平均值，设计时不需考虑时程分析放大系数。

各时程波作用下结构层间位移角平均值与反应谱方法计算结果对比见图3。

由图3可知，X向和Y向时程计算位移角平均值均小于1/605，满足多遇地震作用下的减震设计目标。

图3 多遇地震下减震结构层间位移角

2.3.2 屈曲约束支撑滞回曲线

多遇地震下，典型屈曲约束支撑（BRB-1）滞回曲线如图4所示。

由图4可知，多遇地震下，屈曲约束支撑最大出力小于其屈服力2 200 k N，支撑未屈服耗能，仅为结构提供刚度。

图4 多遇地震下典型屈曲约束支撑滞回曲线图

2.4 弹塑性时程分析

2.4.1 层间位移角

罕遇地震作用下，采用PKPM-SAUSAGE软件对结构进行弹塑性时程分析，对比减震结构和非减震结构的层间位移角，如图5所示。减震结构X向、Y向的最大层间位移角分别为1/127和1/145，非减震结构X向、Y向的最大层间位移角分别为1/73和1/101，减震结构与非减震结构X向、Y向的最大层间位移角比值均小于0.75，满足《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》和GB 50011—2010建筑抗震设计规范关于罕遇地震下层间位移角限值的要求。

图5 罕遇地震下结构层间位移角对比

2.4.2 结构出铰顺序及能量图

罕遇地震下，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关，图6列举了有代表性的TH057号波在X向单向输入时结构的出铰顺序，来说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况。

由图6可知，罕遇地震作用下，结构开始进入塑性状态，结构中梁、柱出现塑性铰的时间顺序基本上为梁先出现梁铰，柱后出现柱铰，满足 “强柱弱梁” 的要求，屈曲约束支撑的设置，有效提高了结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

图6 TH057号波结构出铰图

图7为罕遇地震下代表性的地震能量输入及能量耗散图。由图7可知，耗能包括结构构件塑性应变能、结构阻尼耗能和屈曲约束支撑耗能，其中结构阻尼耗能占比较高，其次为屈曲约束支撑耗能，结构塑性应变能较小，屈曲约束支撑的使用减少了结构塑性应变能在耗能总量中的比例，从而减轻了主体结构的损坏。

图7 能量图

2.4.3 屈曲约束支撑性能

罕遇地震作用下，本工程典型屈曲约束支撑的滞回曲线如图8所示。

由图8可知，罕遇地震作用下，典型屈曲约束支撑最大出力大于其屈服力2 200 kN，滞回曲线饱满，证明屈曲约束支撑进入塑性状态，可以有效地耗能。

图8 典型屈曲约束支撑滞回曲线图

罕遇地震作用下，首层X向、Y向屈曲约束支撑实际最大出力之和与该层相对应方向的楼层层间屈服剪力之比分别为24.7%（X向）和19.1%（Y向）；2层X向、Y向屈曲约束支撑实际最大出力之和与该层相对应方向的楼层层间屈服剪力之比分别为23%（X向）和25.8%（Y向）。可以看出，各层BRB实际最大出力之和，均大于楼层层间屈服剪力的15%，均小于楼层层间屈服剪力的60%，满足JGJ 297—2013建筑消能减震技术规程第6.2.2条和《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》的第4.1.2条的要求。

3 减震设计经济性对比

不采用减震设计时，不改变结构形式的情况下，通过增大梁柱截面尺寸可以得到满足各项指标要求的设计方案，与采用屈曲约束支撑的减震设计方案进行截面尺寸及主体结构钢筋混凝土指标对比，结果见表4。

表4 减震结构与非减震结构主体结构钢筋混凝土指标对比

由表4可知，采用减震设计方案时，梁柱截面尺寸显著减小，主体结构每平方米主材用量可节约10%～15%。

4 结语

通过对某8度区铁路站房设置屈曲约束支撑，建立结构整体模型，并分别进行振型分解反应谱分析、弹性时程分析和弹塑性时程分析，选取5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，分析了结构在X/Y/Z三向地震输入时的抗震性能。得到以下结论：

1）多遇地震作用下，结构处于弹性状态，屈曲约束耗能支撑（BRB）仅为结构提供刚度，不提供附加阻尼比。

2）罕遇地震作用下，结构构件进入塑性，框架梁优先出现梁铰，而后柱子出现柱铰，结构总体满足 “强柱弱梁” 要求。

3）罕遇地震作用下，减震结构X向最大层间位移角为1/127，Y向最大层间位移角为1/145，小于GB 50011—2010建筑抗震设计规范第5.5.5条规定的罕遇地震下弹塑性层间位移角限值1/50，同时满足《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》第4.1.1条规定的框架结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值减小比例不低于GB 50011—2010建筑抗震设计规范规定限值的50%的要求。

4）罕遇地震作用下，各屈曲约束支撑均进入塑性阶段，滞回曲线饱满，耗能良好，能够为主体结构提供安全保证。

5）采用屈曲约束支撑减震设计方案后，相比非减震设计方案，可显著减小梁柱截面尺寸，增大建筑空间使用效率，主体结构每平方米钢筋混凝土用量可减少10%～15%。