减震技术丨厦门新机场结构耗能减震设计

         

结合厦门新机场航站楼指廊工程，研究在复杂框架结构中，通过采用防屈曲支撑减震设计方案来满足结构的抗震性能目标，并分析验证了防屈曲支撑良好的减震效果。

厦门新机场为区域性枢纽机场、国际货运口岸、对台重要通道。近期规划目标为2025年，将建设两条远距平行跑道，航站楼及陆侧配套设施总建筑面积约100万m2。本项目位于厦门市翔安区，大嶝岛与小嶝岛之间，利用周边海域吹填造陆形成建设场地。航站楼由主楼(A)和指廊(B，C，D，E)五个功能分区组成，因为各功能分区平面尺寸较大，又将各个功能分区通过结构缝分成若干个结构单元，具体示意图见图1，总建筑面积为559952m2。

(a)建筑效果图

(b) 结构单元分区图

图1 航站楼示意图

航站楼为大型公共建筑，对其抗震性能要求较高。本文选取E2指廊结构单元作为研究对象，针对该结构存在多项不规则且抗扭能力较弱的特点，设置多组防屈曲支撑，形成框架-支撑结构体系。防屈曲支撑作为消能减震构件，相对于普通钢支撑，在受压状态时仍然可以保持不屈曲，其受压塑性变形能力接近于受拉塑性变形能力，在往复地震作用下具有很强的耗能能力。

本文针对厦门新机场指廊结构，通过合理布置防屈曲支撑，优化防屈曲支撑构件设计参数，并通过小震、中震和大震的抗震性能分析，研究防屈曲支撑在混凝土框架中的设计方法，充分发挥防屈曲支撑的抗震性能，有效提高复杂框架结构的抗震性能。

1   结构体系

1.1  主体结构体系

E2指廊单元横向最大宽度为134m，纵向最大长度为128m。层数为地上2层，无地下室，首层层高为7.6m，顶层为坡屋顶，屋盖采用现浇混凝土楼板，最小层高为6.3m。局部最大层高为9.3m，柱距包括9,12.7,18m，为平面凹凸不规则结构。

E2指廊单元结构平面布置见图2，屋顶长条形天窗形成的楼板局部不连续，且含有大跨和钢结构天窗等，属于不规则的复杂框架结构。由于扭转效应较大，对结构抗震不利。为了减小E2段指廊因平面不规则引起的扭转，增强结构耗能能力，在外边框每层选取8跨设置人字形防屈曲支撑。

(a) 1层顶板结构平面布置图

(b) 屋顶平面布置图

(c) 三维透视图

图2  E2指廊单元结构布置

1.2  防屈曲支撑选型

防屈曲支撑是对传统支撑的改进，主要由核心单元、约束单元以及滑动机制单元组成，如图3所示。其中，核心单元是提供抗侧力和耗能的主要部分；约束单元的设置使防屈曲支撑能够避免类似普通支撑容易出现的受压屈曲问题；在核心单元和约束单元之间一般留有空隙，并设置滑动材料，以使核心单元能够在约束单元的作用下，仍能自由伸缩，实现滞回耗能。

(a) 防屈曲支撑构造

(b) 几何尺寸关系

图3 防屈曲支撑构造

防屈曲支撑与主体结构通过设置节点板、连接件及高强螺栓连接，按铰接节点考虑，如图3（b）所示。节点设计时满足“强节点，弱构件”的要求，保证连接节点能够满足在罕遇地震阶段防屈曲支撑充分耗能情况下不破坏。其中节点板设计除满足强度要求外，还应考虑节点板的稳定，可采用加大节点板厚度或者设置加劲肋等措施。

对于本工程，防屈曲支撑核心单元截面面积可以根据小震阶段抗扭和抗侧刚度的需求及防屈曲支撑与框架结构合理刚度比初步确定，然后再进行各阶段的抗震性能验算，经过上述的反复迭代计算可以确定最佳的截面面积。防屈曲支撑的设计参数及单个防屈曲支撑的力学性能见表1和表2。

防屈曲支撑的设计参数  表1

单个防屈曲支撑的力学性能  表2

在结构层高和跨度确定的前提下，除了芯材材料影响层间屈服位移外，支撑的工作段长度系数即支撑工作段长度与支撑长度的比值，也是影响因素之一。 因此，在防屈曲支撑框架设计中，除了选择低屈服点钢材来提高耗能能力外，还可以通过调节支撑工作段长度来控制防屈曲支撑的工作性能。

2   防屈曲支撑框架分析方法

防屈曲支撑的恢复力模型主要分成双线性恢复力模型和Bouc-Wen 模型两种。SAP2000软件在弹塑性时程分析过程中，通过对梁、柱单元的塑性铰指定来模拟非线性行为。梁单元和柱单元分别指定为M铰、P-M-M铰。塑性铰的定义参考FEMA356中有关规定。

根据设防目标，在小震阶段，主体结构和防屈曲支撑均处于弹性阶段，防屈曲支撑只考虑刚度，不考虑阻尼比的贡献，计算时可以采用振型分解反应谱法进行弹性分析；中震阶段，主体结构基本保持弹性，防屈曲支撑进入非线性阶段，开始屈服耗能，计算时可以采用基于Bouc-Wen 模型的非线性时程分析法；大震阶段，主体结构进入塑性阶段，可采用非线性时程分析法进行弹塑性分析。

本文小震阶段采用YJK程序和SAP2000程序计算分析，中震和大震阶段采用SAP2000程序进行计算分析。

3   防屈曲支撑框架结构抗震性能分析

通过结构在小震、中震、大震作用下的分析，可以得出如下结论：

（1）防屈曲支撑既能在小震弹性阶段为结构提供抗侧刚度，也能在中、大震作用下滞回耗能为整体结构提供附加阻尼比，减轻主体结构震害。

（2）不同阶段抗震性能分析结果表明，通过合理布置防屈曲支撑与选用设计参数，可以实现防屈曲支撑框架在小震作用下主体结构完好、中震作用下轻微损坏、大震下中等破坏的抗震性能目标。

（3）有限元分析中，采用Bouc-Wen 模型来模拟防屈曲支撑，能够通过非线性时程分析较好地模拟防屈曲支撑的承载能力与耗能性能。

（4）大震作用下的弹塑性分析表明，大部分塑性铰处于B~IO阶段，少部分塑性铰处于IO~LS阶段，与防屈曲支撑相连的框架柱部分较为薄弱，应在设计中予以加强。

（5）从大震作用下的整体结构能量分布可以看出，防屈曲支撑在大震阶段耗能效果明显，构件设计时要重视核心单元材料的选择，确保防屈曲支撑的累计塑性变形与耗能能力。