屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用

1、.屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用第11卷第4期2009年8月Vo1.11NO.4Aug.2009屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用劉晴云,閏鋒,汪大綏,常耘(現(xiàn)代設計集團華東建筑設計研究院有限公司,上海2OO002)摘要:本文介紹了屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用.虹橋綜合交通樞紐磁浮站為框架結(jié)構,因為建筑使用功能的需要,地上二層比地上一層減少了2/5的框架柱,為了減小剛度突變和滿足層間位移角的要求,需要在地上二層設置支撐.屈曲約束支撐由于在小震下能夠為結(jié)構提供適當?shù)膫?cè)向剛度,在中震和大震下具有良好的耗能減震能力,因而被用來設置在虹橋磁浮站的地上二層.文章對結(jié)構設置屈曲

2、約束支撐相對于設置普通支撐的優(yōu)點進行了闡述,并且對結(jié)構設置屈曲約束支撐的設計計算進行了描述.關鍵詞:屈曲約束支撐;結(jié)構設計;抗震中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:16719379(2009)04002708AbstractTheApplicationofBucklingRestrainedBracesinStructuralDesignofHongqiaoMagneticAerotrainStationKeywordsLJUQingyun,YANFeng,WNGDasui,CHANGYun(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInsti

3、tuteCo.,Ltd.,Shanghai200002,China)LIUQingyun:lqyeeadi.CONTheapplicationofbucklingrestrainedbracesinstructuraldesignofHongqiaomagneticaerotrainstationispresentedinthispaper.Themagneticaerotrainstationisaframestructure.Fortherequestofarchitecturaldesign,2/5offramecolumnsisreducedinthesecondfloorcompar

4、ingtOthefirstfloor.Thebucklingrestrainedbracesareinstalledinthesecondfloortoprovidetheappropriatestiffness,whichwillmitigatetheabruptchangeofstructuralinterstorystiffnessandsatisfytherequestofinterstorydisplacement.Furthermore,thebucklingrestrainedbraceswillimprovetheseismiccapabilityofstructureunde

5、rmediumandrareearthquakes.Theadvantageofthebucklingrestrainedbracesoverthecommonbracesisdescribed.Thedesignmethodofthebucklingrestrainedbracesisalsoexpatiated.bucklingrestrainedbraces;structuraldesign;seismicdesgn1工程概況磁浮虹橋站是上海虹橋綜合交通樞紐的一個重要組成部分,它與其東面的東交通中心,航站樓,其西面的高鐵站屋,西交通中心,共同組成了上海最大的集地面,空中,地下為一體的綜合

6、性交通樞紐工程.磁浮虹橋站地面層為磁浮列車站臺層;地下一層為換乘人流大通道和磁浮站廳;局部存在的地下二層有垂直于磁浮軌道方向的地鐵運行軌道;地上二層為換乘人流通道和站廳;二層頂板之上有局部存在的四層開發(fā)用房.圖1圖4顯示了磁浮車站的平面,南北剖面,東西剖面和三維視圖概況.收稿E1期:20090330作者簡介:劉晴云(1961一),男,學士,教授級高級工程師,主要從事大型復雜結(jié)構設計的審定,結(jié)構設計技術難題的研究及大型工程結(jié)構設計項目的管理.E-mail:lqy.閏鋒(1975一),男,博士,高級工程師,主要從事大型復雜結(jié)構設計,結(jié)構設計技術難題的研究.建筑鋼結(jié)構進展第11卷r1一卜gJJr重l

7、Illl+一._fI斗_一|_J十1一l卜:IlJ寸tr軎雖iij_LIJI苧llfI1.一|_一l1I卜8II量Jl11一f1一卜IIj1|_圖1磁浮虹橋站平面概況lI115250I】1507500.VVVVVV生00.|/l18.6ooA.,/1Vl,llJ_,一l!一-n廠nnnn霞l10【0II.l10_-I-廣_lIl1590013800l38001380013800138001380013800138O07500l706oo圖2磁浮虹橋站南北向剖面l1甘l1lt7I7llIflp4.ol/=,/1lIJlI_I一_fllJ=】,.0.,0.一.I180001800018000180

8、00l800018000l80001800018000162000l圖3磁浮虹橋站東西向剖面l_._IL+-_._一一一一+下下.|_.,._.I|_._.一卜卜一一rr|_.I|一川川川三川川川m川川卅辛三三三f=手E三._卜-1.1I一.1.1_,-_,.|蘭鯽三f4三f三豐.1111-_1-_1-I.E三=王三E址豐三L.I.f11:1-_1-_I_-_1-_-_.1.1:一I-_-._-_h-1-_第4期屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用29圖4磁浮虹橋站三維視圖2結(jié)構設計2.1結(jié)構選型磁浮虹橋站主體在建筑24.550m標高以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構體系,24.550m標高以上開

9、發(fā)用房采用鋼框架結(jié)構,整體結(jié)構為鋼筋混凝土與鋼結(jié)構結(jié)合的混合框架結(jié)構體系.其中出站夾層和商業(yè)夾層采用鋼結(jié)構.鋼筋混凝土框架結(jié)構樓(屋)蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板,鋼框架結(jié)構樓板采用鋼與混凝土組合樓(屋)蓋結(jié)構.鋼筋混凝土屋面標高24.550m,鋼結(jié)構屋面標高42.150m,地下部分為二層,地下二層底板結(jié)構面標高為一18.470m.本工程基本柱網(wǎng)為18m13.8m,為滿足設備管道的布置及建筑凈高的要求,在結(jié)構設計中盡可能減小梁高,為改善結(jié)構受力性能,本工程在框架和大跨度次梁中較多地采用了預應力技術.在標高I2.050m24.550m的高架站廳層,建筑要求柱做成圓柱,柱子抗側(cè)移剛度有所消弱,同時結(jié)構

10、框架柱減少2/5,從而引起結(jié)構側(cè)向剛度突變.為增加高架站廳層的抗側(cè)移剛度,以及減小層間側(cè)向剛度突變,在高架站廳層的X方向和Y方向設置了屈曲約束支撐BRB,以滿足建筑抗震設計規(guī)范及相關規(guī)程的相應要求.柱間屈曲約束支撐BRB的布置見圖2,圖3.磁浮虹橋站主體24.550m標高設置鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換預應力大梁,轉(zhuǎn)換成9m6.9m的柱網(wǎng)鋼結(jié)構框架體系,以滿足建筑功能和建筑效果的要求.兩種不同體系各得其所,使功能性與經(jīng)濟性得到了較好的統(tǒng)一.本工程單元平面尺寸為I62mx170m,為縱橫兩方向超長結(jié)構,為減小混凝土收縮的不利影響,設計考慮在適當?shù)奈恢迷O置后澆帶和添加外加劑;對于由溫度變化引起的混凝土變形問

11、題,主要采取了預應力樓板和梁,在梁板鋼筋配筋中考慮溫度應力,同時采用鋼筋連續(xù)拉通等構造加強措施.2.2結(jié)構設計基本參數(shù)本工程結(jié)構設計基本參數(shù)見表1.2.3結(jié)構主要構件截面結(jié)構主要構件截面見表2.表1結(jié)構設計基本參數(shù)序號項目數(shù)據(jù)內(nèi)容1建筑結(jié)構的安全等級一級2地基基礎安全等級甲級3樁基安全等級一級4設計使用年限5O年(混凝土耐久性按100年設計)5抗震設防類別乙類建筑6地基土液化等級及處理不考慮地基土液化影響30建筑鋼結(jié)構進展第11卷續(xù)表17人防抗力等級無8地震加速度7.0.1g9設計地震分組第一組iO場地土類*?l上海類場地土11特征周期一0.9s12水平地震影響系數(shù)最大值d一0.0813抗震等

12、級一級?采用上海市工程建設規(guī)范建筑抗震設計規(guī)程(DGJ0892003)所附的地震影響系數(shù)曲線.14地震作用計算參數(shù)?混合結(jié)構阻尼比取0.04.?計算地震作用時采用重力荷栽包括:100恒荷載,5O樓面活荷栽.?抗震計算采用考慮耦聯(lián)的振型分解反應譜法.15風荷載基本風壓按100年一遇考慮,為0.6kN?m16地面粗糙度B級100年一遏基本雪壓為0.25kPa;屋面水平部分和坡面部分的積雪分布系17雪荷載數(shù)分別為1.0及0.3表2結(jié)構主要構件截面,構件類型框架柱/ram框架粱/ramX向柱間鋼支撐Y向枉間支撐柱強度等級攢(bh)(bh)180025008OO13OO18OO31OO80015OO基礎

13、面地下室頂板180036OOC6O2lOO25OO18OO42OO11OO25OO180048009OO15OO12.050m標高15OO1800C6O90013O080013O0BRB屈曲約束支撐BRB屈曲約束支撐C6024.050m標高直徑1600130025O0有效截面積300m有效截面積465cmQ34524.050m箱形鋼截面H型鋼Q34544.450m標高65O45O323230060014323屈曲約束支撐(BRB)的基本性能與應用現(xiàn)狀屈曲約束支撐英文名稱為BucklingRestrainedBraces,因而簡稱為BRB.由于日本新日鐵公司首先研制應用的屈曲約束支撐BRB采用了

14、無粘結(jié)技術,又稱為無粘結(jié)支撐(unbondbrace,UBB)_】.它具有良好的抗震性能,比普通鋼支撐更有利于提高建筑物的抗震能力,增強建筑物的使用性能.BRB屈曲約束支撐由外包鋼管及附著物約束內(nèi)核鋼支撐,以防止內(nèi)核鋼支撐在壓力作用下發(fā)生屈曲.內(nèi)核鋼支撐與外包鋼管及附著物之間可以自由相對滑動,工作時僅內(nèi)核鋼支撐受力.屈曲約束支撐在拉力和壓力作用下均可達到充分的屈服,具有良好的延性和穩(wěn)定飽滿的滯回特性,可作為減震阻尼器和抗震構件.圖5表示了BRB支撐相對于傳統(tǒng)支撐的性能優(yōu)勢.圖6表示了第4期32建筑鋼結(jié)構進展第11卷表3采用BRB支撐與采用普通支撐兩種情況下結(jié)構動力特性的比較,支撐類型自振周期B

15、RB支撐(X+Y+R)普通支撐(X+Y+R:)T1/s1.35(1.00+0.00+0.00)1.23(1.00+0.00+0.00)T2/s1.24(0.00+1.00+0.00)1.06(0.02+0.93+0.05)T3/s1.14(0.20十0.06+0.74)1.01(0.23+0.13+0.64)T3/T10.84O.82表4采用BRB支撐與采用普通支撐兩種情況下結(jié)構層間位移角的比較支撐類型層間位移角BRB支撐普通支撐一層(鋼筋混凝土結(jié)構)X:1/791;Y:1/960X:l/769;Y:1/990二層(鋼筋混凝土結(jié)構)X:1/595;Y:1/7O8X:1/876;Y:1/1477

16、三層(鋼結(jié)構)X:1/483;Y:1/374X:1/442;Y:1/317四層(鋼結(jié)構)X:l/431;Y:1/4O5X:1/390;Y:1/336五層(鋼結(jié)構)X:1/576;Y:1/545X:1/519;Y:l/445六層(鋼結(jié)構)X:1/822;Y:1/734X:1/753;Y:1/585454O353O檑2520l51OOO1/9001/45O1/3OOx向?qū)娱g位移角454O35.逅2520鄂15lO5O1/900l,4501/300Y向?qū)娱g位移角圖7采用BRB支撐與采用普通支撐兩種情況下結(jié)構層間位移角的比較4.3經(jīng)濟性比較從經(jīng)濟性來比較,由于BRB支撐實現(xiàn)了國產(chǎn)化,采用BRB支撐相對

17、于采用普通支撐會節(jié)省鋼材,降低造價.如果采用普通鋼支撐,磁浮虹橋站需要的箱形鋼支撐截面分別為800ramx800ram80mm(Y向)和550ram550ram50ram(X向),支撐的用鋼量大約為500t.根據(jù)本工程設計出圖當時的市場價格,厚鋼板材料費和鋼支撐加工制作費大約為18000元/t,普通鋼支撐價格約為900萬元人民幣.本工程采用了同濟大學研制開發(fā),上海藍科鋼結(jié)構技術開發(fā)有限公司經(jīng)銷的BRB支撐,價格約為600萬元人民幣.兩者比較,采用BRB支撐相對于采用普通鋼支撐,節(jié)約了大約300萬元人民幣.4.4中震和大震作用下的性能應用BRB可以增強結(jié)構在中震和大震作用下的抗震能力,因為在中震

18、和大震作用下BRB進入屈服狀態(tài),但是不會失穩(wěn),所以不會引起結(jié)構剛度的突然下降,并且能夠增大結(jié)構的阻尼,耗散輸入到結(jié)構中的地震能量,減輕主體結(jié)構的損傷.如果采用普通鋼支撐,在中震或者大震作用下支撐會發(fā)生受壓失穩(wěn),導致地上二層結(jié)構剛度的突然下降,形成薄弱層,不利于結(jié)構的抗震.圖8表示了結(jié)構設置BRB支撐以后X方向和Y方向的需求譜與能力譜關系圖.罕遇地震作用下,X方向的最大彈塑性層問位移角為1/91,Y方向的最大彈塑性第4期屈曲約束支撐在磁浮虹橋站結(jié)構設計中的應用33層間位移角為1/73,滿足規(guī)范1/5o的限值要求.并且能力譜顯示結(jié)構沒有出現(xiàn)突然的剛度下降.4.5支撐的布置與建筑效果圖9表示了BRB

19、支撐的平面布置和建筑立面尺寸效果圖.可以看出,磁浮站結(jié)構采用BRB支撐會產(chǎn)生較好的美觀效果.Y向單斜BRB支撐截面輪廓尺寸為700mm700mm,V形BRB支撐截面輪廓尺寸為550mmX550mm.如果采用普通鋼支撐,平面布置是一樣的,支撐截面輪廓尺寸分別為x向800mm800mm,Y向550ramX550ram.也就是說,采用BRB支撐相對于普通鋼支撐,建筑外觀效果相近或者更好.(a)X方向(b)Y方向圖8結(jié)構設置BRB支撐以后的需求譜與能力譜關系圖圖9采用BRB支撐的平面布置與建筑效果5屈曲約束支撐(BRB)的設計計算由于BRB在常遇地震作用下處于彈性狀態(tài),因此在進行常遇地震作用下的結(jié)構位

20、移和承載力設計時,輸入等代鋼斜撐來模擬BRB的作用,鋼斜撐的截面積等于BRB的芯材截面積;并且在計算時把等代鋼斜撐的計算長度系數(shù)指定為一個較小的值(比如0.1),使得等代鋼斜撐的穩(wěn)定系數(shù)等于1,即等代鋼斜撐不需要考慮失穩(wěn),只6002000烤漆玻璃板I6002000淺灰色鋁板進行強度計算.等代鋼斜撐的穩(wěn)定是通過包圍在其外面的鋼套筒來得到保證的_5.在進行建筑結(jié)構設計時,屈曲約束支撐BRB的芯材截面積和芯材屈服強度由結(jié)構設計人員來確定,包括鋼套筒在內(nèi)的屈曲約束支撐BRB作為一種特殊鋼桿件則是由生產(chǎn)廠家來設計和加工制作的.磁浮虹橋站作為安全等級為一級的乙類建筑,為了增強其在地震作用下的結(jié)構性能,除了

21、進行小震作用下34建筑鋼結(jié)構進展第11卷的位移和承載力設計外,對于框架柱和轉(zhuǎn)換梁補充進行中震不屈服計算.中震不屈服是指采用設防烈度的地震影響系數(shù),不采用構件內(nèi)力放大系數(shù),荷載分項系數(shù)取1.0,材料采用標準值,同時不采用構件承載力抗震調(diào)整系數(shù).由于設計需要BRB在中震作用下發(fā)揮耗能作用,因此在中震不屈服設計時,BRB要進入屈服狀態(tài),在這個階段還可以使用等代斜撐進行計算分析,只是由于BRB和框架梁都可能進入屈服狀態(tài),計算有一定的近似性.由于等代斜撐在中震不屈服計算時不能考慮進入屈服狀態(tài),因而得到的BRB內(nèi)力僅是名義內(nèi)力,需要進行修正才能得到實際內(nèi)力.表5說明了磁浮虹橋站結(jié)構中BRB的設計計算結(jié)果.

22、表5屈曲約束支撐BRB設計計算結(jié)果程序桿件內(nèi)核鋼支撐桿件長度屈服內(nèi)力小震/kN中震/kN名稱編號截面面積/cm/rn/kN(1_3E+O.28W)(E+o.2W)10021N一8220N一10129146516.571(屈服應力215N?ITlm)(壓應力176.8N?mlTl)(屈服后應力219N?ITIFfl)ETABS6463N一5146N一652223OO1O.514(屈服應力215N?mm)(壓應力171.5N?mm)(屈服后應力218N?mm)1OO21N=9105146516.571(屈服應力215N?mm)(壓應力195.8N?mm)SATWE6463N=540923001O.

23、5l4(屈服應力215N?mm)(壓應力180.3N?mm)在罕遇地震作用下,可以進行推覆分析來驗證結(jié)構的層問位移角是否滿足規(guī)范要求,以及找出結(jié)構的塑性鉸出現(xiàn)順序,有針對性地采取措施提高結(jié)構的整體延性.分析時對BRB支撐賦予軸力鉸來模擬其受力特性,軸力鉸的特性曲線由彈性段和屈服平臺段兩部分組成,受壓和受拉性能相同.還可以進行彈塑性時程分析來更精確地查看結(jié)構在罕遇地震作用下的性能,此時要用連接單元來模擬BRB支撐在反復荷載作用下的滯回特性.磁浮虹橋站進行推覆分析得到的結(jié)構能力譜與反應譜關系曲線見圖8.6結(jié)論本文描述了虹橋綜合交通樞紐磁浮站結(jié)構設計中應用屈曲約束支撐BRB的關鍵問題,能夠得到以下結(jié)論:(1)屈曲約束支撐BRB受壓不會失穩(wěn),并且屈服后能夠提高結(jié)構