ABSTRACT

The high-speed railway station structure has the characteristics of torsion irregularity and vertical irregularity. In order to reduce the abrupt change in stiffness and the seismic response of the structure, it is necessary to set buckling restrained braces (BRB) in the high-speed railway station structure. In this paper, a high-speed railway station structure was adopted as example. The elastic time history analysis under frequent earthquake and the elastic-plastic time history analysis under rare earthquake were carried out for non-damping and damping structures. The period, story drift angle, base shear, plastic hinge distribution and the working state of buckling restrained braces before and after damping were compared and analyzed. The results show that buckling restrained braces have good damping effect. Buckling restrained braces can provide lateral stiffness for the structure under frequent earthquakes, dissipate energy under rare earthquakes, and reduce the damage of the structure.

Keywords:High-Speed Railway Station Structure, Buckling Restrained Brace (BRB), Energy Dissipation, Elastic-Plastic Time-History Analysis, Seismic Response

屈曲约束支撑在某大型高铁车站结构减震中的应用研究

付德权^1,2，张营营^1,2

¹中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州

²江苏省建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州

收稿日期：2020年2月19日；录用日期：2020年3月5日；发布日期：2020年3月12日

摘 要

高铁车站结构存在扭转不规则和竖向不规则的特点，为了减小刚度突变和结构的地震响应，需要在高铁车站结构中设置屈曲约束支撑(BRB)。以某大型高铁车站站房结构为例，对非减震和减震结构进行了多遇地震下的弹性时程分析和罕遇地震下的弹塑性时程分析，对比分析了减震前后结构的周期、层间位移角、基底剪力、塑性铰分布和屈曲约束支撑的工作状态。结果表明：屈曲约束支撑有良好的减震效果，多遇地震下为结构提供抗侧刚度，罕遇地震下屈服耗能，减少结构的损伤和破坏。

关键词 :高铁车站结构，屈曲约束支撑，消能减震，弹塑性时程分析，地震响应

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1. 引言

目前，屈曲约束支撑在混凝土框架结构和钢框架结构中的消能减震研究较为完善。徐自然等 [1] 研究了屈曲约束支撑应用在上海浦东国际机场卫星厅的中央大厅中的减震效果，结果表明屈曲约束支撑的减震效果良好，可达到消能减震的预期目标；沈绍东等 [2] 对屈曲约束支撑和粘滞阻尼器应用在某钢筋混凝土框架结构中的减震效果进行了对比研究；高杰等 [3] 研究了屈曲约束支撑和普通支撑结合布置在混凝土框架结构中的减震效果，结果表明结构在罕遇地震作用下的各项性能指标满足规范要求；徐斌等 [4] 研究了屈曲约束支撑应用于钢筋混凝土框架结构加固改造工程的效果，结果表明减震效果良好，且能显著减少加固工程量；于敬海等 [5] 研究了屈曲约束支撑在某高层钢筋混凝土框架结构中的减震效果，结果表明结构的抗震性能得到改善；Almeida A等 [6] 研究了屈曲约束支撑在钢筋混凝土结构抗震加固的应用，结果表明屈曲约束支撑使原结构的破坏程度限制到了容许水平；徐彦峰等 [7] 研究了屈曲约束支撑在海口机场综合交通中心钢框架中的抗震效果；朱飞飞等 [8] 研究了屈曲约束支撑在钢框架结构抗震加固中的应用，结果表明屈曲约束支撑有很好的减震作用；张国伟等 [9] 研究了屈曲约束支撑钢框架的抗震性能，结果表明屈曲约束支撑大幅提高了结构的抗震性能。在上述研究中，针对屈曲约束支撑应用于混凝土框架结构和钢框架结构中的减震研究较多，而屈曲约束支撑在高铁车站这类大跨复杂空间结构的减震研究不太完善。

高铁车站结构为大型公共建筑，人员密集，抗震性能要求较高。本工程有竖向刚度不均匀、平面刚度不规则和抗扭能力较弱的特点，因此有必要采用消能减震技术，消耗地震输入结构的能量，提高结构的抗震能力。屈曲约束支撑在受拉和受压时均能达到屈服而不屈曲 [10]，有很好的滞回耗能能力。因此本文选用屈曲约束支撑，通过合理布置屈曲约束支撑，进行多遇地震、罕遇地震下的抗震性能分析，探究了屈曲约束支撑在某大型高铁车站结构减震中的应用效果。

2. 模型建立

2.1. 工程概况

本文选择某大型高铁车站主站房为原型进行数值分析。主站房地上三层(含两个夹层)，地下一层(局部地下两层)，总建筑面积为206,000 m²。一层为出站层，层高12.4 m，一层为型钢混凝土框架结构；二层为站台层，层高10.0 m，二层为钢管混凝土柱–钢桁架共同组成的框架结构；三层为候车层，层高为27.6 m。候车层下面是桁架层，桁架上下弦之间设置设备夹层。屋面采用两向正交正放钢网架结构，节点采用焊接球。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008) [11] 可知，本工程的抗震设防类别为重点设防类(乙类)。由《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) [12] 可知，该结构所在地区的抗震烈度为7度，加速度为0.10 g，设计地震分组为第一组，场地类别为II类，特征周期为0.35 s。

2.2. 结构模型

采用有限元软件对结构建立分析模型，非减震结构的三维模型如图1所示。其中构件均采用梁单元，楼板采用板单元，钢材采用随动硬化滞回模型，混凝土采用武田三折线滞回模型。对于减震结构，可以在非减震结构的基础上设置一般连接。

站房的首层采用叠合柱，二层、三层柱为钢管混凝土柱；承轨梁和承轨层的主梁均为型钢混凝土梁，承轨层的次梁为钢筋混凝土梁；钢桁架上下弦杆均采用工字型钢截面；屋盖的所有杆件均采用圆钢管截面。混凝土强度等级均采用C60，钢材强度等级均采用Q345。结构梁柱之间连接方式为刚接，基底的边界条件为固结约束，不考虑土–结构相互作用。

图1. 原结构分析模型三维视图

2.3. 抗震性能目标

根据《建筑抗震设计规范》(GB20011-2010) [12] 的12.3.3条可知，消能减震结构的层间弹塑性位移角限值，应符合预期的变形控制要求，宜比非消能减震结构适当减小。根据《建筑抗震设计规范》(GB20011-2010) [12] 的附录M.1.1，确定结构构件实现抗震性能要求的层间位移指标如表1所示。

表1. 结构构件实现抗震性能要求的层间位移指标

为了保证该高铁车站结构在罕遇地震作用下破坏较小，可以正常使用，并且可以减少结构和构件的修复成本，综合考虑后，确定该结构的抗震性能为性能2，结构竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角控制指标如表2所示。

表2. 结构竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角

由表2可知，罕遇地震作用下，该高铁车站结构的层间位移角不应超过1/150。屈曲约束支撑的性能目标是多遇地震作用下保持弹性，罕遇地震作用下进入塑性耗能阶段。

2.4. 屈曲约束支撑选型及布置方案

根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ297-2013) [13] 第4.1.8条，本文屈曲约束支撑选用Bouc-Wen模型来进行模拟，在有限元软件中采用一般连接中的滞后系统来模拟。屈曲约束支撑的主要参数有初始刚度、屈服位移、屈服力、屈服指数与屈服后刚度比等。屈服后刚度比为芯材屈服后与屈服前的弹性刚度之比，本文取值为0.02。屈服指数影响轴力–变形曲线在屈服点光滑过渡段的范围，该值越大则光滑过渡段的范围越小，本文取值为7 [14]。

支撑的初始刚度、屈服力和极限承载力分别按式(1)、式(2)和式(3)计算。

$K=\frac{E{A}_1}{L}$ (1)

式中：K为屈曲约束支撑的弹性刚度，A₁为支撑钢内芯的等效截面面积，L为屈曲约束支撑的长度。

$N_{by}={\eta }_y{f}_y{A}_1$ (2)

式中： $N_{by}$ ——屈曲约束支撑的屈服承载力；

${\eta }_y$ ——芯板钢材的超强系数，按照文献 [15] 确定。

$N_{bu}=\omega N_{by}$ (3)

式中： $N_{bu}$ ——屈曲约束支撑的极限承载力；

ω——应变强化调整系数，按照文献 [15] 确定。

综合考虑后，屈曲约束支撑内芯的截面积为10,000 mm²，内芯钢材采用LY160，结构中各层屈曲约束支撑的主要参数见表3。设定屈曲约束支撑在各层均匀布置，总共布置了106根屈曲约束支撑。经过多轮优化调整后，支撑的布置方式如图2所示。

表3. 屈曲约束支撑的参数

图2. 屈曲约束支撑布置示意图

2.5. 地震记录选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB20011-2010) [12] 第5.1.2条，并考虑场地类别、频谱特性、有效峰值及地震波持续时间等因素 [16]，本文选用三条地震波，两条天然地震波(CORINTH GREECE波和IWATE波)和一条人工地震波(RH2TG035波)。进行多遇地震、罕遇地震时程分析时，三条波的有效峰值加速度分别被调整为35 cm/s²和220 cm/s²。地震波反应谱和规范反应谱的对比见图3，三组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%，满足抗震规范的要求。

图3. 地震波反应谱和规范反应谱对比

3. 屈曲约束支撑高铁车站结构的抗震性能分析

进行多遇地震作用下的结构抗震分析，对比设置和不设置屈曲约束支撑的结构。

3.1. 多遇地震反应谱分析

3.1.1. 周期与振型

采用Ritz向量法对非减震结构和减震结构进行模态分析。对比设置和不设置屈曲约束支撑的结构，周期、振型和周期比的对比结果如表4所示。由表4可知，原结构和减震结构的前三阶模态均分别为沿Y向的平动振型、沿X向的平动振型和绕Z轴的扭转振型。减震结构的周期由0.9783 s减小到0.6208 s，说明屈曲约束支撑增加了结构的刚度。减震结构的周期比由0.94减小到0.84，说明屈曲约束支撑的设置减少了原结构的扭转效应。

表4. 多遇地震作用结构分析

3.1.2. 层间位移角

将原结构和减震结构在多遇地震作用下的最大层间位移角进行对比，如表5所示。由表5可知，设置了屈曲约束支撑后，结构的最大层间位移角显著减小，且满足抗震性能目标的要求。

表5. 多遇地震下最大层间位移角

3.2. 多遇地震弹性时程分析

选取三条地震波，两条天然地震波(CORINTH GREECE波和IWATE波)和一条人工地震波(RH2TG035波)。每组地震波均按三向输入，加速度峰值在水平主向(X向)、水平次向(Y向)和竖向(Z向)的比值为1:0.85:0.65。

3.2.1. 基底剪力

表6为弹性时程和反应谱基底剪力的对比结果，结果表明：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足《建筑抗震设计规范》(GB20011-2010) [12] 第5.1.2条，故所选的地震波满足要求。

表6. 弹性时程分析与反应谱分析的基底剪力对比

3.2.2. 屈曲约束支撑性能

所有屈曲约束支撑中的最大轴力为1268 kN，故屈曲约束支撑均未屈服，处于弹性阶段，并未进入屈服耗能阶段，仅仅为结构提供附加刚度，满足抗震性能目标要求。

3.3. 罕遇地震弹塑性时程分析

进行罕遇地震弹塑性时程分析时，仍选用多遇地震弹性时程分析所用的三条地震波，两条天然地震波(CORINTH GREECE波和IWATE波)和一条人工地震波(RH2TG035波)。每组地震波均按三向输入，加速度峰值在水平主向(X向)、水平次向(Y向)和竖向(Z向)的比值为1:0.85:0.65。

3.3.1. 塑性铰选择

在主梁和所有的柱上布置塑性铰，通过指定塑性铰可以模拟构件的非线性行为。梁单元两端设置MM塑性铰，该铰忽略了轴力的作用；柱单元两端设置PMM塑性铰，该铰综合考虑了轴力和两个方向的弯矩。

3.3.2. 层间位移角

根据《建筑抗震设计规范》(GB20011-2010) [12] 第5.5.2条，对采用消能减震设计的结构进行弹塑性变形验算。在峰值加速度为220 cm/s²的CORINTH GREECE波、IWATE波和RENGONG波作用下，原结构和减震结构在三条波作用下的最大层间位移角包络值对比见图4。由图4可知，减震结构的最大层间位移角包络值比原结构有所减小，X方向的3层、2层和1层的减震率分别达到了63.72%、35.16%和25.10%，Y方向的3层、2层和1层的减震率分别达到了57.86%、47.84%和7.76%，且减震结构各层的层间位移角更加均匀，故层间位移角的减震效果良好。减震结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角都满足了抗震性能目标1/150。

图4. 原结构和减震结构层间位移角包络值对比

3.3.3. 屈曲约束支撑性能

本文在原结构中总共布置了106根屈曲约束支撑，其中有56根进入屈服阶段。所有屈曲约束支撑中的轴力最大值为1654 kN，小于极限承载力3864 kN。选取典型屈曲约束支撑，查看其轴力–变形滞回曲线，如图5所示。由图5可以看出，屈曲约束支撑的滞回曲线饱满，屈服耗能效果良好，可以减少主体结构构件的破坏，满足抗震性能目标要求，且支撑的延性满足要求 [17]。由于外包钢限制了内芯的屈曲，所以屈曲约束支撑的滞回曲线不会出现捏拢现象，有良好的滞回耗能能力。

3.3.4. 塑性铰分布

由于篇幅所限，以RENGONG波工况下为例，查看结构在最终时刻的塑性铰分布图，如图6所示。由图6可以看出，原结构的主梁基本都出现了第一屈服阶段的塑性铰，首层柱绝大多数出现了第一屈服阶段的塑性铰；减震结构的主梁也基本都出现了第一屈服阶段的塑性铰，而首层柱均处于线性阶段，并未出现第一阶段的塑性铰，塑性铰的屈服程度显著减轻，满足了“强柱弱梁”的要求。所以屈曲约束支撑减少了结构柱的破坏，有效的保护了主体结构，使得结构在罕遇地震作用下有良好的抗倒塌能力。其余地震波工况下塑性铰分布情况和RENGONG波工况类似。

图5. 典型屈曲约束支撑的轴力–变形滞回曲线

图6. 结构塑性铰分布图

4. 结论

针对改善某大型高铁车站结构地震响应和扭转效应的问题，采取设置屈曲约束支撑的减震技术，基于有限元软件研究了结构在减震前后的地震响应，可以得到以下结论：

1) 设置了屈曲约束支撑后，原结构的抗震性能显著增强，扭转效应明显改善。

2) 屈曲约束支撑在多遇地震作用下处于弹性阶段，仅仅为结构提供附加刚度；在罕遇地震作用下，屈曲约束支撑进入屈服阶段，滞回曲线饱满，有效耗散地震输入结构的能量，充当结构的“保险丝”，减少结构的损伤和破坏，有效了保护了主体结构，结构可以实现“大震不倒”的抗震目标。

3) 通过合理布置屈曲约束支撑和选用设计参数，可以实现主体结构多遇地震作用下完好、罕遇地震作用下轻微破坏的抗震性能目标。

基金项目

国家重点研发计划资助(2017YFC1500702)；江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX19_0902)；中国矿业大学研究生科研与实践创新计划项目(SJCX19_0902)。

文章引用

付德权,张营营. 屈曲约束支撑在某大型高铁车站结构减震中的应用研究
Research on the Application of Buckling Restrained Brace in the Energy Dissipation of a High-Speed Railway Station Structure[J]. 土木工程, 2020, 09(03): 193-203. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.93022

参考文献