轉載自建築結構《昆明某超高層鋼結構減震設計與分析》作者：董廷順， 楊超， 張戰書

［摘要］ 俊發城一期10 号地塊超高層辦公樓結構高度195. 1m，為高度和高寬比均超限的乙類建築，結構采用雙重抗側力鋼框架-中心支撐( 部分屈曲約束支撐) 結構體系。基于抗震性能的設計方法，采用YJK，ETABS 軟件對結構進行了小震作用下的彈性分析，采用SAP2000 軟件對結構進行了中震及大震作用下的彈塑性分析。結果表明，小震下屈曲約束支撐( BＲB) 均未屈服，軸力設計值滿足設計承載力的要求，中震、大震下BＲB 均能先于主體結構屈服，且在大震下BＲB 耗能效果明顯，結構的最大層間位移角小于規範限值。在構件設計與驗算方面，介紹了BＲB 與支撐框架處鋼梁抗剪連接件的設計方法與驗算結果。

［關鍵詞］ 超高層建築; 鋼結構; 減震設計; 屈曲約束支撐; 抗震性能設計; 彈塑性分析

雲南省昆明市俊發城一期10 号地塊超高層辦公樓( 圖1 ) 建築面積為90 379. 02m2，結構高度195. 1m，塔樓結構平面尺寸為51. 05m × 33. 20m，高寬比為5. 88。地上52 層，其中1 層層高5. 4m，2 ～ 4層、14 層、15 層、28 層、42 ～ 52 層層高4. 5m，5 ～ 12層、16 ～ 26 層、29 ～ 40 層層高3. 3m，13 層、27 層層高3. 5m，41 層層高3. 9m; 1 層建築功能為大堂及商業，14，28，42 層為避難層，其餘标準層為辦公層。地下3 層，其中地下1 層層高為4. 6m，地下2，3層層高為3. 4m。工程抗震設防烈度為8 度( 0. 2g) ，設計地震分組為第三組，場地土類别為Ⅲ類，場地特征周期為0. 65s，阻尼比按線性插值取0. 024。根據《建築工程抗震設防分類标準》( GB 50223—2008) ［1］，本工程屬于重點設防類，按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施，故按9度采取抗震措施，上部結構抗震等級為一級，結構嵌固于地下室頂闆。

基于建築功能、綜合造價以及結構體系的抗側力性能等考慮，本結構采用雙重抗側力鋼框架-中心支撐( 部分BＲB) 結構體系來抵抗水平作用( 風荷載和地震作用) ，其中鋼柱為焊接矩形鋼管混凝土柱，鋼梁為焊接H 型鋼梁，支撐為焊接箱形截面中心支撐和耗能型BＲB，樓闆為鋼筋桁架組合樓闆。中心支撐以單層或跨層的形式布置在1 ～ 52 層，根據《建築消能減震技術規程》( JGJ 297—2013) ［2］關于消能部件“均勻、對稱、高效率”的布置原則，BＲB共11 種類型，布置在1 ～ 28 層，BＲB 的編号及與中心支撐的平、立面布置見圖2，3。

本工程結構高度為195. 1m，高寬比為5. 88，根據《鋼管混凝土結構技術規範》( GB 50936—2014) ［3］，框架-支撐結構在8 度區( 0. 20g) 的最大适用高度為180m，最大高寬比為5，本工程屬于高度和高寬比均超限的結構。針對本工程的超限水平和結構特點，參照《高層民用建築鋼結構技術規程》( JGJ 99—2015) ［4］( 簡稱高鋼規) ，制定結構構件的抗震性能目标，見表1。

4. 1 設計思路

框架支撐體系中，消能減震器可采用BＲB，通過與主體結構梁、柱相連形成消能子結構以控制結構在地震作用下的預期變形，從而達到抗震設防目标。高鋼規中規定，耗能型BＲB 在小震作用下應保持彈性，中震和大震作用下應屈服，即BＲB 小震下承擔的軸力設計值應小于其承載力設計值，中震下承擔的軸力标準值應大于或接近其屈服承載力，大震下承擔的軸力标準值應大于其屈服承載

圖2 中心支撐及BＲB 平面布置示意圖

圖3 中心支撐及BＲB 立面布置示意圖

力，同時為保證BＲB 在中震、大震下具有穩定的耗能能力，BＲB 的軸力标準值還要滿足極限承載力的要求。因此，基于以上幾點，本工程對BＲB 的設計思路概括為: 1) 小震下，假定BＲB 芯材牌号為Q235，結合塔樓整體計算指标初步确定BＲB 的數量及等效截面面積; 2) 結合BＲB 的屈服承載力大小和塔樓中震彈性計算結果，确定芯材牌号; 3) 根據大震彈塑性時程的結果，驗算所選BＲB 的極限承載力。

4. 2 BＲB 設計參數

通過計算，本工程所采用的BＲB 芯材牌号為LY160，LY225，屈服強度分别為( 160 ± 20) MPa 和( 225 ± 20) MPa。具體參數見表2。

5. 1 小震分析

采用YJK 軟件對整體結構進行計算分析，采用ETABS 軟件對整體結構進行小震計算結果的複核，部分計算結果見表3。從表3 中可知，YJK 軟件與ETABS 軟件計算結果基本一緻，相互吻合，且計算結果符合規範的有關規定。

根據YJK 軟件計算結果( 取彈性時程分析法平均值和CQC 法的較大值) 對BＲB 的設計承載力進行驗算，驗算結果見表4。由表4 可知，各層BＲB 在小震作用下軸力設計值滿足設計承載力的要求。承載力設計值與最大軸力設計值比值為1. 1 ～ 1. 58，屈服承載力與最大軸力設計值比值為1. 35 ～ 1. 93，按照中震等效彈性進行計算，由于中震下地震作用約為小震的2. 8 倍，因此本結構中所選用的BＲB 既能滿足高鋼規對BＲB 在小震作用下不耗能的規定，同時也容易達到在中震作用下屈服耗能的要求。

5. 2 中震動力彈塑性時程分析

中震下，選取小震時程中的一條人工波( ＲEN和兩條天然波( Denali，Alaska ( 天然波1 ) 和Chi-Chi，Taiwan-06( 天然波2) ) 進行彈塑性時程分析，其中峰值加速度根據《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ［5］進行調幅，調幅後的峰值加速度為200cm /s2。SAP2000 模型中梁端定義彎矩鉸，柱端定義軸力彎矩鉸，普通中心支撐定義基于FEMA356 的軸力鉸，見圖4( a) ，BＲB 采用剛性杆模拟，并賦予剛性杆自定義軸力鉸，見圖4( b) 。

本文以天然波Chi-Chi，Taiwan-06 在X 向地震作用下的分析結果說明結構構件的屈服順序及整體損傷情況，結構塑性鉸分布見圖5。從結構整體塑性鉸的分布情況來看，由于出鉸的程度均為第一級别，說明結構隻是輕微損傷; 從構件的出鉸順序來看，分析結果表明，結構在4 450 步最先出現塑性鉸，且出鉸構件是BＲB，其次普通框架梁，普通中心支撐以及與BＲB 相連的梁柱均未屈服，說明BＲB起到了結構第一道防線的作用。與此同時，由于BＲB 在中震作用下便開始屈服耗能，緻使主體結構吸收的地震能量相應減少，結構的抗震安全性得到了提高。中震下BＲB 的屈服承載力驗算結果見表5。由表5 可知，69%的BＲB 在中震下已屈服耗能，達到了中震作用下BＲB 部分屈服的性能目标。同

圖5 中震下結構塑性鉸分布圖

圖6 大震下結構塑性鉸分布圖

時，通過計算BＲB 極限承載力與軸力包絡值的比值( 均不小于1. 5) 可以發現，BＲB 在滿足極限承載力要求的同時，其安全性仍有一定的富餘。

5. 3 大震動力彈塑性時程分析

進行大震動力彈塑性時程分析時，在中震的基礎上，将峰值加速度調整為400cm /s2，結構阻尼比取0. 05，結構最終塑性鉸分布見圖6，結構最大層間位移角見表6。從結構整體塑性鉸的分布來看，塑性鉸主要集中在普通框架梁上，所有框架柱均未出鉸，普通中心支撐僅個别樓層出鉸，大部分未出鉸，消能子結構( 與BＲB 相連梁、柱) 均未出鉸，BＲB 在大震作用下全部屈服耗能，結構主體構件在BＲB 屈服後進入塑性的程度均滿足“防止倒塌”的要求，結構滿足預定的抗震性能目标。從結構整體變形來看，三條地震波作用下結構最大層間位移角包絡值X 向為1 /79，Y 向為1 /75，均小于1 /50，滿足規範的限值要求。

大震下BＲB 的極限承載力驗算結果見表7。從表7 可以發現，BＲB 在大震下的軸力包絡值均小于其極限承載力，說明BＲB 仍處于穩定的耗能工作狀态。從BＲB 的耗能效果來看，通過對比中震和大震作用下BＲB 的滞回曲線( 圖7) 可以發現，大震作用下BＲB 的滞回曲線更為飽滿，耗能效果更好。

通過對比表5、表7 中各類型BＲB 的軸力包絡值可知，大震與中震作用下BＲB 的軸力平均差值為177kN，約占屈服承載力平均值的6. 3%，說明在大震作用下，盡管地震作用的峰值加速度放大了2 倍，但BＲB 承擔的軸力卻增長不大。同時需要指出的是BＲB 在大震作用下的耗能效率又有了極大的提高，這說明對于BＲB 而言，其耗能能力主要由其變形所決定，而BＲB 的變形大小又與結構主體的變形

密切相關。因此，選擇合理的結構體系并針對此體系進行BＲB 數量和參數的選擇對結構的抗震性能及BＲB 的耗能效率有決定性作用。

5. 4 鋼框梁與樓闆連接件的抗震承載力驗算

為保證各樓層地震作用能有效通過樓闆傳遞給支撐框架，本塔樓按中震不屈服的标準驗算支撐框架位置處框架梁與樓闆連接件的抗震承載力。采用YJK 軟件等效彈性的方法對結構進行中震不屈服計算，得出中震作用下框架支撐部分承擔的地震力，見圖8。從圖8 可以發現，X，Y 向第3 層的支撐框架承擔的地震力最大，分别為2 813. 15kN 和2 846. 55kN，取這兩種最不利地震力數據進行鋼框架梁與樓闆連接件的抗震承載力驗算。框架梁與樓闆抗剪連接件采用栓釘，栓釘材料性能等級為4. 6級，沿梁長方向間距200mm，雙排布置。根據公式( 1) ［6］可得出單個栓釘抗剪承載力設計值Ncv:

( 1)式中: As為栓釘釘杆截面面積; Ec，fc分别為混凝土的彈性模量與抗壓強度。

通過計算得出Ncv= 50. 5kN。因此，X，Y 向至少需要的總栓釘顆數分别為2 813. 15 /50. 5 ≈56( 顆) 、2 846. 55 /50. 5≈57( 顆) 。X，Y 向支撐框架處各方向相應框架梁長度之和均大于14m，布置栓釘總數均大于140 顆，能夠滿足要求。

本工程為高度和高寬比均超限的乙類建築，針對工程的建築特點，結構采用了雙重抗側力鋼框架-中心支撐( 部分BＲB) 結構體系。通過對結構進行小震的反應譜、彈性時程分析以及中震、大震的彈塑性時程分析計算得出，此體系既能滿足建築的使用功能，同時也能達到結構預設的抗震性能目标。此外，由于BＲB 的運用，結構的整體剛度有所提升，從中震、大震的計算結果來看，BＲB 均能先于主體結構屈服耗能，且耗能效果明顯，結構的抗震性能得到了提高。最後，對于超高層鋼結構，為保證各樓層地震力能有效通過樓闆傳遞給支撐框架，支撐框架位置處框架梁與樓闆連接件也應進行中震或大震的抗震承載力驗算。本工程的設計于2016 年6 月通過雲南省抗震設防專項審查。

［1 ］ 建築工程抗震設防分類标準: GB 50223—2008［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2008．

［2 ］ 建築消能減震技術規程: JGJ 297—2013［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2013．

［3 ］ 鋼管混凝土結構技術規範: GB 50936—2014［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2014．

［4 ］ 高層民用建築鋼結構技術規程: JGJ 99—2015［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2015．

［5 ］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2011．

［6 ］ 鋼結構設計規範: GB 50017—2003［S］． 北京: 中國計劃出版社， 2003．

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