论文部分内容阅读
摘要：某项目为12层的标准自用写字楼，地上采用无粘结屈曲约束支撑－钢框架结构体系，地下采用钢筋混凝土框架剪力墙结构。重点介绍无粘结屈曲约束支撑框架结构设计的情况。经过分析计算，各项工程计算指标均符合规范要求。
关键词：无粘结屈曲约束支撑；钢结构；抗震设计
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
Abstract: a program for 12 layer for standard office, and the ground with unbonded buckling constraint support-steel frame structure, the underground reinforced concrete frame shear wall structure. Focus unbonded buckling constraint support framework structure design of the situation. Through calculation and analysis, the engineering calculation indexes meet the requirements specification.
Keywords: unbonded buckling constraint support; Steel structure; Seismic design
１工程概况
总建筑面积24265ｍ2，地上12层，地下2层，建筑总高度为54.81ｍ，地下室埋深为11ｍ。地上1～11层为办公用房，12层为设备机房，地下1～2层为车库。
该建筑体型规则、基本对称，平面尺寸为45ｍ×37ｍ，近似方形，建筑中心部位设计为交通核心区域，由电梯、楼梯、卫生间及管道竖井组成。核心区域外围是开放式办公。用户可以根据自己的需要灵活布置隔断墙。
核心区域柱网为（9+9+9）ｍ×9ｍ；外围柱间距为9ｍ；核心区域柱与外围柱之间跨距为14ｍ。层高：1层、11层为5.0ｍ；其余层为4.2ｍ；顶层设备房、地下1～2层层高为4.5ｍ。
工程的结构设计基准期为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类。基本风压取为0.45ｋＮ／ｍ2，地面粗糙度类别为Ｃ 类，抗震设防烈度为8度0.2ｇ，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，结构阻尼比在多遇地震下取0.02，在罕遇地震下取0.05。
２地基基础
本场地地形平坦，地貌属于冲洪积扇中部。地层成层性较好，土层分布及厚度变化比较稳定，地基土较均匀，根据有关资料，在拟建场地及附近无全新世以来的活动断裂带通过，亦不存在其他不良地质作用。根据现场钻探、原位测试及室内土工试验成果，本场地内土层分布较稳定，各土层的力学性质指标较好，压缩模量较高，为中－低压缩性。建筑场地内无软弱土层，各土层属于正常固结土。
本场地历史最高水位标高为47.5ｍ，抗浮设防水位为46.5ｍ。地下水对混凝土结构无腐蚀性。
地下室采用天然地基肋梁式筏板基础，地基承载力持力层为④层粉质黏土。持力层地基承载力特征值为210KPａ。基础板厚除剪力墙井筒处为1000ｍｍ外，其余均为600ｍｍ。地梁截面为900ｍｍ×1500ｍｍ、900ｍｍ×1800ｍｍ；由于地下室埋置较深，基坑卸荷重量远大于基底压力，故建筑的沉降仅为基坑回弹再压缩部分沉降，此沉降对周围构筑物附加沉降影响较小。基础混凝土采用强度等级为C40的防水混凝土，设计抗渗等级为S8。
3无粘结屈曲约束支撑
本工程1～11层所用支撑均为日本新日铁公司提供的无粘结屈曲约束支撑。无粘结屈曲约束支撑通常由3 部分组成，即核心单元、约束单元和滑动机制。核心单元又称主受力单元，是此构件中主要的受力组件，可由特定强度的钢板组成，俗称芯棒，常见的形状为十字型及一字型，本工程使用的为十字型核心单元。约束单元负责提供侧向约束机制，以防止核心单元受轴压时发生整体或局部屈曲，俗称套筒。另外，由于希望此構件在受拉及受压时尽可能有相似的力学性能，因此必须在核心单元与约束单元间提供一滑动单元，避免核心单元因受力变形时与约束单元间产生摩擦力。
无粘结屈曲约束支撑在主体框架中按“人”字形布置，支撑一端与框架柱节点处相连，一端与框架梁相连，分别在框架梁的下端和框架柱与框架梁相交的节点处设置与核心钢板等厚的连接板，采用高强螺栓将连接板与无粘结屈曲约束支撑铰接固定在框架内。为保证支撑能够发挥最大作用，按照强节点弱杆件的设计理念，连接螺栓及连接板设计采用极限强度设计法，保证在支撑破坏前螺栓及连接板不破坏。无粘结屈曲约束支撑节点简单、安装便利，等同于一般支撑安装要求。
普通钢框架加钢支撑体系的抗震设计概念是：在小震下主体结构为弹性，大震下主体结构进入塑性变形状态进行耗能。但往往震后由于变形过大无法修复而造成较大的经济损失。无粘结屈曲约束支撑的抗震设计概念是：当无粘结屈曲约束支撑实际受力小于屈服荷载时，处于弹性受力状态，可以为结构提供足够的支撑刚度，等同于普通钢支撑的作用；当无粘结屈曲约束支撑实际受力大于屈服荷载时，开始进入塑性受力状态，支撑变形增大为结构提供足够的耗能能力，产生较大阻尼，耗散地震输入的大部分能量，并使结构的动力反应（位移、速度、加速度等）迅速衰减，而主体结构不出现明显弹塑性，保护主体结构和构件免遭损坏。
无粘结屈曲约束支撑在美国、日本、台湾等地广泛采用，期间经历了地震的实际考验，是一种较为先进的技术。进入国内后大部分工程均用来作为结构的安全储备，而真正作为结构主要抗侧力构件在实际工程中应用，本工程还是较早的一例。为了保证结构的安全性及将来广泛应用确定产品检验标准，本工程进行了全国超限工程抗震审查，同时对工程中使用的构件进行了专项试验。试验结果表明：试件在拉压行程为38.4ｍｍ，频率为0.5Ｈｚ，速度为76.8ｍｍ／ｓ下循环60 圈后，主要耗能指标的相对偏差量均小于10％，没有明显的低周疲劳现象，满足抗震规范的要求。
另采用无粘结屈曲约束支撑，从用钢量上也较采用普通钢框架加钢支撑体系经济。经过计算比较，本工程如果采用普通钢框架加钢支撑体系，主框架用钢约1630ｔ，支撑用钢约100ｔ，总用钢量约为1730ｔ；而采用无粘结屈曲约束支撑体系，主框架用钢约1600ｔ，支撑用钢量约50ｔ，总用钢量约为1650ｔ，减少了80ｔ，约占总用钢量的6％。即使考虑到无粘结屈曲约束支撑的单价较高，仍然是经济的。采用无粘结屈曲约束支撑结构体系，地震作用越大，无粘结屈曲约束支撑的耗能能力越强；不仅会提高结构的抗震性能，还因为其良好的耗能能力，会减小主体结构的地震作用，并且降低震后的修复费用，在抗震设防烈度为8度的地区使用时，具有很好的经济效益。这也是本工程采用无粘结屈曲约束支撑结构体系的重要原因。
4结构计算分析
本工程采用中国建筑科学研究院ＰＫＰＭ 系列的钢结构程序ＳＴＳ建模，采用“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件ＳＥＴＷＥ（2004.3）”进行结构整体分析。分析的主要结果简述如下：设计选取21 个振型，第一周期为2.4607ｓ，Ｘ 向剪重比为4.48％，Ｙ 向剪重比为3.68％。考虑偶然偏心作用下，楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移与楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比值最大值出现在第9层，为1.29。在地震作用下，楼层最大层间位移角均出现在第9层，Ｘ 向为1／441，Ｙ 向为1／321。总框架任一楼层所承担的地震剪力，不小于结构底部总剪力的25％，侧向刚度不规则及楼层承载力突变计算结果均能满足规范要求。
5结论
（1）无粘结屈曲约束支撑在小震阶段保持弹性受力状态，在中震和大震阶段，支撑开始耗能，抗震性能良好。无粘结屈曲约束支撑在受拉、受压的情况下屈服能力相同，消除了传统中心支撑受压比受拉屈服能力明显降低的问题。
(2）无粘结屈曲约束支撑可通过螺栓连接到节点板，施工安装方便且经济；无粘结屈曲约束支撑可保护其他主体结构构件免遭破坏，大震后如需要可更换损坏的支撑；无粘结屈曲约束支撑的刚度和强度很容易调整，故其设计灵活。
(3）由于无粘结屈曲约束支撑是进口产品，单价较高，但它具有优越的抗震性能，地震时可以使建筑物有更高的安全性，更好地保护人民群众的生命和财产安全。并且在满足GB 50011－2001中对结构楼层最大弹性层间位移角限值前提下，可以通过调整支撑截面来控制结构整体刚度，从而达到减小结构主框架用钢量的目的。因此，随着我国国民经济水平的提高，特别是无粘结屈曲约束支撑国产化以后，将会有更加广泛的应用前景。
(4）钢结构材料环保，施工速度快，需要的施工场地小，扰民较少，较适合在大城市中心区域或居民较集中的场地环境下采用。
关键词：无粘结屈曲约束支撑；钢结构；抗震设计
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
Abstract: a program for 12 layer for standard office, and the ground with unbonded buckling constraint support-steel frame structure, the underground reinforced concrete frame shear wall structure. Focus unbonded buckling constraint support framework structure design of the situation. Through calculation and analysis, the engineering calculation indexes meet the requirements specification.
Keywords: unbonded buckling constraint support; Steel structure; Seismic design
１工程概况
总建筑面积24265ｍ2，地上12层，地下2层，建筑总高度为54.81ｍ，地下室埋深为11ｍ。地上1～11层为办公用房，12层为设备机房，地下1～2层为车库。
该建筑体型规则、基本对称，平面尺寸为45ｍ×37ｍ，近似方形，建筑中心部位设计为交通核心区域，由电梯、楼梯、卫生间及管道竖井组成。核心区域外围是开放式办公。用户可以根据自己的需要灵活布置隔断墙。
核心区域柱网为（9+9+9）ｍ×9ｍ；外围柱间距为9ｍ；核心区域柱与外围柱之间跨距为14ｍ。层高：1层、11层为5.0ｍ；其余层为4.2ｍ；顶层设备房、地下1～2层层高为4.5ｍ。
工程的结构设计基准期为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类。基本风压取为0.45ｋＮ／ｍ2，地面粗糙度类别为Ｃ 类，抗震设防烈度为8度0.2ｇ，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，结构阻尼比在多遇地震下取0.02，在罕遇地震下取0.05。
２地基基础
本场地地形平坦，地貌属于冲洪积扇中部。地层成层性较好，土层分布及厚度变化比较稳定，地基土较均匀，根据有关资料，在拟建场地及附近无全新世以来的活动断裂带通过，亦不存在其他不良地质作用。根据现场钻探、原位测试及室内土工试验成果，本场地内土层分布较稳定，各土层的力学性质指标较好，压缩模量较高，为中－低压缩性。建筑场地内无软弱土层，各土层属于正常固结土。
本场地历史最高水位标高为47.5ｍ，抗浮设防水位为46.5ｍ。地下水对混凝土结构无腐蚀性。
地下室采用天然地基肋梁式筏板基础，地基承载力持力层为④层粉质黏土。持力层地基承载力特征值为210KPａ。基础板厚除剪力墙井筒处为1000ｍｍ外，其余均为600ｍｍ。地梁截面为900ｍｍ×1500ｍｍ、900ｍｍ×1800ｍｍ；由于地下室埋置较深，基坑卸荷重量远大于基底压力，故建筑的沉降仅为基坑回弹再压缩部分沉降，此沉降对周围构筑物附加沉降影响较小。基础混凝土采用强度等级为C40的防水混凝土，设计抗渗等级为S8。
3无粘结屈曲约束支撑
本工程1～11层所用支撑均为日本新日铁公司提供的无粘结屈曲约束支撑。无粘结屈曲约束支撑通常由3 部分组成，即核心单元、约束单元和滑动机制。核心单元又称主受力单元，是此构件中主要的受力组件，可由特定强度的钢板组成，俗称芯棒，常见的形状为十字型及一字型，本工程使用的为十字型核心单元。约束单元负责提供侧向约束机制，以防止核心单元受轴压时发生整体或局部屈曲，俗称套筒。另外，由于希望此構件在受拉及受压时尽可能有相似的力学性能，因此必须在核心单元与约束单元间提供一滑动单元，避免核心单元因受力变形时与约束单元间产生摩擦力。
无粘结屈曲约束支撑在主体框架中按“人”字形布置，支撑一端与框架柱节点处相连，一端与框架梁相连，分别在框架梁的下端和框架柱与框架梁相交的节点处设置与核心钢板等厚的连接板，采用高强螺栓将连接板与无粘结屈曲约束支撑铰接固定在框架内。为保证支撑能够发挥最大作用，按照强节点弱杆件的设计理念，连接螺栓及连接板设计采用极限强度设计法，保证在支撑破坏前螺栓及连接板不破坏。无粘结屈曲约束支撑节点简单、安装便利，等同于一般支撑安装要求。
普通钢框架加钢支撑体系的抗震设计概念是：在小震下主体结构为弹性，大震下主体结构进入塑性变形状态进行耗能。但往往震后由于变形过大无法修复而造成较大的经济损失。无粘结屈曲约束支撑的抗震设计概念是：当无粘结屈曲约束支撑实际受力小于屈服荷载时，处于弹性受力状态，可以为结构提供足够的支撑刚度，等同于普通钢支撑的作用；当无粘结屈曲约束支撑实际受力大于屈服荷载时，开始进入塑性受力状态，支撑变形增大为结构提供足够的耗能能力，产生较大阻尼，耗散地震输入的大部分能量，并使结构的动力反应（位移、速度、加速度等）迅速衰减，而主体结构不出现明显弹塑性，保护主体结构和构件免遭损坏。
无粘结屈曲约束支撑在美国、日本、台湾等地广泛采用，期间经历了地震的实际考验，是一种较为先进的技术。进入国内后大部分工程均用来作为结构的安全储备，而真正作为结构主要抗侧力构件在实际工程中应用，本工程还是较早的一例。为了保证结构的安全性及将来广泛应用确定产品检验标准，本工程进行了全国超限工程抗震审查，同时对工程中使用的构件进行了专项试验。试验结果表明：试件在拉压行程为38.4ｍｍ，频率为0.5Ｈｚ，速度为76.8ｍｍ／ｓ下循环60 圈后，主要耗能指标的相对偏差量均小于10％，没有明显的低周疲劳现象，满足抗震规范的要求。
另采用无粘结屈曲约束支撑，从用钢量上也较采用普通钢框架加钢支撑体系经济。经过计算比较，本工程如果采用普通钢框架加钢支撑体系，主框架用钢约1630ｔ，支撑用钢约100ｔ，总用钢量约为1730ｔ；而采用无粘结屈曲约束支撑体系，主框架用钢约1600ｔ，支撑用钢量约50ｔ，总用钢量约为1650ｔ，减少了80ｔ，约占总用钢量的6％。即使考虑到无粘结屈曲约束支撑的单价较高，仍然是经济的。采用无粘结屈曲约束支撑结构体系，地震作用越大，无粘结屈曲约束支撑的耗能能力越强；不仅会提高结构的抗震性能，还因为其良好的耗能能力，会减小主体结构的地震作用，并且降低震后的修复费用，在抗震设防烈度为8度的地区使用时，具有很好的经济效益。这也是本工程采用无粘结屈曲约束支撑结构体系的重要原因。
4结构计算分析
本工程采用中国建筑科学研究院ＰＫＰＭ 系列的钢结构程序ＳＴＳ建模，采用“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件ＳＥＴＷＥ（2004.3）”进行结构整体分析。分析的主要结果简述如下：设计选取21 个振型，第一周期为2.4607ｓ，Ｘ 向剪重比为4.48％，Ｙ 向剪重比为3.68％。考虑偶然偏心作用下，楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移与楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比值最大值出现在第9层，为1.29。在地震作用下，楼层最大层间位移角均出现在第9层，Ｘ 向为1／441，Ｙ 向为1／321。总框架任一楼层所承担的地震剪力，不小于结构底部总剪力的25％，侧向刚度不规则及楼层承载力突变计算结果均能满足规范要求。
5结论
（1）无粘结屈曲约束支撑在小震阶段保持弹性受力状态，在中震和大震阶段，支撑开始耗能，抗震性能良好。无粘结屈曲约束支撑在受拉、受压的情况下屈服能力相同，消除了传统中心支撑受压比受拉屈服能力明显降低的问题。
(2）无粘结屈曲约束支撑可通过螺栓连接到节点板，施工安装方便且经济；无粘结屈曲约束支撑可保护其他主体结构构件免遭破坏，大震后如需要可更换损坏的支撑；无粘结屈曲约束支撑的刚度和强度很容易调整，故其设计灵活。
(3）由于无粘结屈曲约束支撑是进口产品，单价较高，但它具有优越的抗震性能，地震时可以使建筑物有更高的安全性，更好地保护人民群众的生命和财产安全。并且在满足GB 50011－2001中对结构楼层最大弹性层间位移角限值前提下，可以通过调整支撑截面来控制结构整体刚度，从而达到减小结构主框架用钢量的目的。因此，随着我国国民经济水平的提高，特别是无粘结屈曲约束支撑国产化以后，将会有更加广泛的应用前景。
(4）钢结构材料环保，施工速度快，需要的施工场地小，扰民较少，较适合在大城市中心区域或居民较集中的场地环境下采用。