[摘要] 俊发城一期10号地块超高层办公楼结构高度为195.1m。该建筑为乙类建筑，高度和长宽比均超标。结构采用双侧抗力钢框架-中心支撑结构（局部屈曲约束支撑）体系。基于抗震性能设计方法，采用YJK、ETABS软件对结构在小地震作用下进行弹性分析，采用SAP2000软件对结构在中、大地震作用下进行弹塑性分析。地震。结果表明，在小地震作用下，屈曲约束支撑（BRB）均不产生屈服，轴力设计值满足设计承载力要求。无论是中震还是大震，BRB都能先于主体结构屈服，而在大震下BRB会消耗能量。效果明显，结构最大层间位移角小于规范限值。在构件设计和验证方面，介绍了BRB与支撑框架钢梁剪力连接的设计方法和验证结果钢结构风荷载阻尼比，为今后类似结构和构件的设计提供参考。
[关键词] 超高层；钢结构；减震设计；屈曲约束支撑；性能设计；弹塑性分析
1项目概况
俊发城一期10号地块超高层办公楼（图1）建筑面积90379.02m2，结构总高度195.1m，塔楼结构平面尺寸51.05m×33.20m，高宽比为5.88。地上52层，其中1层高5.4m，2~4、14、15、28、42~52层高4.5m，5~12、16~26、 29~40。高3.3m，第13、27层高3.5m，第41层高3.9m。建筑首层为大堂及商务，14、28、42层为避难层，其余标准层为办公。地下3层，其中地下1层高4.6m，地下2、3层高3.4m。工程抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震组别为Ⅲ级，场地土质类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.65s，线性插值阻尼比为0.024。根据《建设工程抗震等级标准》（GB 50223-2008）[1]，本工程属于重点设防类别，其抗震措施按照高于抗震设防一级的要求加强该地区烈度较大，故采取9度抗震措施。上部结构抗震等级为一级，结构嵌入地下室顶板。
图1 建筑效果图
2 结构体系及支撑布置
根据建筑功能、综合造价及结构体系的抗侧力性能，本结构采用双重抗侧力体系钢框架-中心支撑结构（部分BRB）体系抵抗水平效应（风荷载和地震效应） ，其中钢柱为焊接矩形钢管混凝土柱，钢梁为焊接H型钢梁，支撑为焊接箱形截面中心支撑和消能BRB，楼板为钢筋桁架组合楼板。中央支撑以单层或跨层的形式布置在1至52层。根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）[2]，消能构件“均匀、对称、高效”的布置原则是，BRB有11种类型，分布在1至28层。 BRB的数量以及中心支撑的平面和垂直布置如图2和图3所示。
图2 中心支撑及BRB布置示意图
(a) A、E 轴 (b) B、D 轴 (c) 3、6 轴 (d) 4、5 轴
图3 中心支撑及BRB立面布置示意图
3 结构超限情况及抗震性能指标
本工程结构高度195.1m，高宽比5.88。根据《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[3]，8度区（0.20g）框支结构最大适用高度为180m。最大长宽比为5。本项目为高度和长宽比均超出限制的结构。针对本工程超限水平和结构特点，参照《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015）[4]，制定结构构件抗震性能指标（按高层钢规范），如表1所示。
4BRB设计与验证
4.1 设计思路
在框架支撑系统中，消能减震器可采用BRB，与主体结构梁、柱连接，形成耗能子结构，控制结构在地震作用下的预期变形，从而达到抗震设防的目的。高钢法规规定，耗能BRB应在小地震下保持弹性，在中、大地震下应屈服。即BRB在小地震作用下的轴力设计值应小于其承载力设计值。 BRB轴向力的标准值应大于或接近其屈服承载力。大地震作用下的轴力标准值应大于其屈服承载力。同时，为了保证BRB在中、大地震下具有稳定的耗能能力，BRB的轴力标准值也必须满足极限承载力的要求。因此，基于以上几点，本项目BRB的总体设计思路如下： 1）小地震下，假设BRB芯材等级为Q235，BRB的数量和等效截面积BRB根据铁塔整体计算指标初步确定； 2）结合BRB的屈服承载力和塔筒震中弹性计算结果确定核心材料等级； 3) 根据大地震弹塑性时程结果校核所选BRB的极限承载力。
4.2 BRB设计参数
经计算，本工程采用的BRB钢号为LY160和LY225，屈服强度分别为（160±20）MPa和（225±20）MPa。两组在X和Y方向排列。具体参数见表2。
5 结构计算分析
5.1 小地震分析
采用YJK软件对整体结构进行计算分析，采用ETABS软件对整体结构小震计算结果进行复核。部分计算结果如表3所示。从表3可以看出，YJK软件和ETABS软件的计算结果基本一致、一致，计算结果符合规范的相关规定。
BRB的设计承载力根据YJK软件的计算结果进行校核（取弹性时程分析法与CQC法平均值中的较大值）。计算结果如表4所示。从表4可以看出，小地震作用下BRB各层轴力设计值满足设计承载力要求。承载力设计值与最大轴力设计值之比为1.1~1.58，屈服承载力设计值与最大轴力设计值之比为1.35~1.93。该计算基于中度地震的等效弹性。由于中度地震下的地震效应约为BRB的2.8倍。因此，本结构选用的BRB不仅能满足高钢规范对BRB在小震时不耗能的要求，而且很容易满足中震时屈服能耗的要求。
中震条件下，选取小震时程中的3个波（REN（人工波）、Denali, Alaska（自然波）、Chi-Chi、Taiwan-06（自然波））进行弹塑性时程分析。其中，峰值加速度调幅按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[5]进行，调幅后的峰值加速度为200cm/s2。 SAP2000模型中，梁端定义弯矩铰钢结构风荷载阻尼比，柱端定义轴向力铰，普通中心支撑基于FEMA356定义轴向力铰，如图4(a)所示。 BRB 使用刚性杆为其提供定制的轴向力铰链以进行模拟。 ，定制的轴向力铰链如图4(b)所示。
5.2 介质振动力弹塑性时程分析
(a) 中心支撑轴力铰链
(b) BRB 轴向力铰链
图4 轴向力铰链
本文利用自然波Chi-Chi和Taiwan-06在X向地震作用下的分析结果来说明结构构件的屈服序列和整体破坏。结构塑性铰分布如图5所示。从整个结构中塑性铰的分布情况来看，由于铰链均位于第一层，说明结构仅受到轻微损坏；从构件的铰接顺序来看，分析结果表明，结构中首先出现塑性铰是在步骤4450。，铰接构件为BRB。其次，与BRB连接的普通框架梁、中心支撑和梁柱均未屈服，说明BRB发挥了结构第一道防线的作用。同时，由于BRB在中震作用下开始产生并消耗能量，主体结构吸收的地震能量相应减少，提高了结构的抗震安全性。
各地震波下BRB的计算结果如表5所示。从表5可以看出，69%的BRB在中震下产生了能量并消耗了能量，实现了BRB在中震下部分屈服的性能目标。同时，通过计算BRB的极限承载力与轴力包络值的比值（均不小于1.5）可以发现，在满足极限承载力要求的同时，BRB的安全性仍具有一定的安全性。利润。
(a) D 轴有 4450 步的铰链 (b) D 轴有 6000 步的铰链 (c) 整个结构有 6000 步的铰链。
图5 结构塑料铰链分布图
5.3 大振动力弹塑性时程分析
在进行大震弹塑性时程分析时，在中震的基础上，将峰值加速度调整为400cm/s2，结构阻尼比为0.05，最终结构的塑性铰分布如图6所示，结构最大层间位移角见表6。从塑料铰链在整个结构中的分布来看，塑料铰链主要集中在普通框架梁上。所有框架柱均未铰接。中央支撑仅在个别楼层铰接，大部分不铰接。耗能下部结构（与BRB连接）无铰链（梁、柱），BRB在大地震作用下充分屈服并消耗能量。BRB屈服后主要结构构件的塑性程度满足要求“防倒塌”，且结构满足预定的抗震性能目标，从结构整体变形来看，结构在3次地震波作用下的最大层间位移角包络值为1/。 X方向为79，Y方向为1/75，均小于1/50，满足规格极限。
(a) D 轴以 6000 步铰接 (b) E 轴以 6000 步铰接 (c) 整个结构以 6000 步铰接
图6 结构塑料铰链分布图
BRB在各种地震波和大地震作用下的计算结果如表7所示。从表7中可以看出，BRB在大震作用下的最大轴力小于其极限承载力，表明BRB仍处于处于稳定的耗能工作状态。从BRB的耗能效果来看，通过对比中震和大震下的BRB滞回曲线（图7）可以发现，大震下的BRB滞回曲线更饱满，耗能效果更好。
通过比较表5和表7中各类型BRB的轴力包络值可以看出，大震和中震作用下BRB的轴力平均差异为177kN，约占总震级的6.3%。平均屈服承载力，表明在大地震作用下，虽然地震峰值加速度放大了2倍，但BRB承受的轴力并没有增加太多。同时需要指出的是，BRB在大地震作用下的能耗效率得到了大幅提升。这说明对于BRB来说，其耗能能力主要由其变形决定，且BRB的变形大小与结构体的变形密切相关。因此，需要选择合理的结构系统，并选择该系统的BRB数量和参数。结构的抗震性能和BRB的能耗效率起着决定性的作用。
(a) 中震效应
(b) 大地震的影响
图7 BRB11磁滞曲线
6 结论
本项目为乙类建筑，高度和长宽比均超标。针对该项目的建筑特点，结构采用钢框架-中心支撑结构（部分BRB）体系。通过对结构进行小震反应谱和弹性时程分析以及中震和大震的弹塑性时程分析计算表明，该系统不仅能满足建筑物的使用功能，而且能达到预定的抗震性能结构的目标。另外，由于BRB的使用，结构的整体刚度得到了提高。根据中震和大震的计算结果，BRB能先于主体结构产生和消耗能量，消能效果明显，结构的抗震性能得到了提高。 。最后，对于高层钢结构，为了保证各层的地震力能够通过楼板有效地传递到支撑框架上，框架梁和楼板连接件所在位置的抗震承载力支撑框架还应针对中度或大地震进行计算。该工程设计于2016年6月通过了云南省抗震设防专项审查。
本文来自《建筑结构》2018年第5期，《减震技术》2019年4月，作者：董廷顺、杨超、张占书；单位：昆明新郑东阳建筑工程设计有限公司；标题：昆明某超高层钢结构结构减震设计与分析。
