熊掌與魚——屈曲約束支撐在中山醫(yī)院醫(yī)療科研綜合樓的應用小記

2021-02-252416

結構所-陳朝云、鄧茂廣

中山醫(yī)院醫(yī)療科研綜合樓集醫(yī)療與科研功能為一體，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。大樓南北向布置，東西方向總長度為115.5 米，南北方向總寬度為66.5 米。地上20 層，裙房7 層，建筑高度87.950 米。裙房平面呈鉆石形，裙房以上主樓呈V形展開，夾角成132°。1～7層包含外科手術室、ICU、病理科等功能，8層以上為婦產(chǎn)科、外科、臨床驗證平臺病房等功能。裙房以下和以上房間布置差異大，從基礎通至主樓頂?shù)募袅H有北側(cè)樓電梯間和山墻局部部位可以布置，八層以上主樓沿橫向剛度偏弱，結構抗扭轉(zhuǎn)能力欠缺。需要適當調(diào)整上部樓層的剛度分布，改善建筑抗震性能。

醫(yī)療科研綜合樓立面效果圖

一層平面圖

八－十三層平面圖

上部樓層房間分隔固定，在A-3、5、7軸和B-3、5、7軸框架填充墻位置增設支撐能有效增強結構抗扭轉(zhuǎn)性能。但新的問題產(chǎn)生了，增設支撐后，剛度適合時，支撐構件承受的軸壓力超出支撐的承載能力。為滿足承載力要求，增大支撐構件尺寸，支撐的剛度增大，支撐受到的力也進一步增大。支撐剛度過大，使上部樓層剛度突變，反而影響結構整體性能。就普通支撐而言，足夠的承載能力和適宜的剛度，如熊掌與魚，不可兼得。

支撐布置平面圖

為此，我們在相應位置設置屈曲約束支撐（BRB）。BRB是由芯材、約束芯材屈曲的套筒和位于芯材與套筒間的無粘結材料及填充材料組成的一種支撐構件。BRB僅芯板與主體框架連接，所受荷載完全由芯板承擔，外套筒和填充材料約束芯板受壓屈曲。因此BRB沒有受壓穩(wěn)定問題，其在風載與小震下構件承載能力比普通支撐提高 2-10 倍。BRB在滿足承載力的情況下，其截面大大減小，同時滿足剛度適宜的要求。屈曲約束支撐從裙房最上一層開始設置，部位為7-19層。考慮到7層通道的通行要求，局部人型支撐形式調(diào)整為單斜桿支撐形式。

屈曲約束支撐構成原理圖

屈曲約束支撐布置立面圖

結構抗震設計為兩階段設計方法，在小震階段屈曲約束支撐保持彈性，其結構延性系數(shù)、阻尼比按照普通混凝土結構規(guī)定選取。定義屈曲約束支撐的方法與定義普通鋼支撐方法類似。不同之處在于以屈曲約束支撐的等效截面面積來定義支撐。
屈曲約束支撐芯板截面沿長度方向變化，計算時將芯板等效為一根與屈曲約束支撐軸向剛度相同的等截面桿件。
屈曲約束支撐的軸向剛度ke采用串聯(lián)彈簧的剛度計算方法得到，
ke=k1k2k3 ∕（k2k3+2k1k2+2k1k3）其中k1、k2、k3為芯板各段的軸向剛度
等截面直桿截面面積即等效截面面積Ae根據(jù)ke和支撐長度由下式得到。
Ae=ke（l1+2l2+2l3）∕E

屈曲約束支撐芯板示意圖

用等效截面進行計算，結構總體指標、結構構件承載力滿足要求，求得屈曲約束支撐在小震下最不利組合軸力值如下：

根據(jù)每根支撐的等效截面面積、擬采用的芯板鋼材等級及支撐預估實際長度，計算每根屈曲約束支撐的設計承載力。得到屈曲約束支撐的設計承載力后，提取支撐在各荷載組合下的最大內(nèi)力，并與支撐設計承載力進行對比，如各荷載組合下最大內(nèi)力小于支撐設計承載力，則滿足要求。
本工程屈曲約束支撐的選型為：JG-BRB-C-1800-4000，JG-BRB-C-1350-6000，JG-BRB-C-1350-4000，參數(shù)如下：

本項目設置屈曲約束支撐目的為改善整體抗扭性能，優(yōu)化結構剛度分布，布置數(shù)量較少，因此未考慮增加結構附加阻尼。

為進一步了解屈曲約束支撐在各階段進入屈曲的情況，采用PROFORM-3D軟件補充罕遇地震作用下屈曲支撐的彈塑性計算分析。屈曲支撐在多遇地震狀態(tài)下彈性，調(diào)節(jié)結構扭轉(zhuǎn)變形；在設防地震和罕遇地震下部分支撐進入屈服，但未破壞，仍有剛度和承載力。由于屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險絲”的作用，保護主體結構在大震下不屈服或者不嚴重破壞。大震后，可以方便地更換損壞的支撐，恢復結構抗震性能。