廈鎢年產四萬噸鋰電池項目主廠房消能減震設計研究

任 彧 劉梅婷 張雅杰 陳更新

(福建建工裝配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著新能源和半導體產業技術的發展，當前我國相關工業建筑呈現大型化、復雜化發展趨勢。通常此類工業建筑的柱距為12 m～15 m、生產區層高為8 m～12 m、使用活荷載為2～8 t/m2，均顯著大于常規民用建筑。由于生產工藝要求，此類工業建筑通常不能采用鋼結構；且結構單元的長度需滿足生產線布置要求，往往需要達到百米以上。且受建筑功能和生產工藝的限制，鋼筋混凝土剪力墻的布置局限性很大，往往難以采用框架-剪力墻結構。如采用常規的以“抗”為主的混凝土框架結構方案，則存在梁柱尺寸偏大及配筋密集難以施工的問題。

此類大體量鋼筋混凝土工業建筑，如采用現澆工法需要設置高大模板支撐體系，材料耗費大、施工措施費非常昂貴，且施工周期長。在上述約束條件下，綜合采用現代消能減震技術和裝配式建造工法，可以獲得良好經濟效益。本文以廈門鎢業年產四萬噸鋰電池項目主廠房為例，說明現代消能減震技術在新能源和半導體產業工業廠房中的應用要點。

1 工程概況

該工程位于福建省廈門市，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g，設計地震分組第二組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期0.40 s。主生產車間為框架-BRB支撐體系，框架抗震等級為二級；無地下室、地上7層，建筑高度為47.35m，生產線所在區域的局部層高均為11.5 m。主廠房單體建筑面積61 764.55 m2，建筑總長度為190 m，分為兩個各95 m左右的結構單元。生產線區域設計活荷載為20 kN/m2，X向柱距為8.1 m、Y向柱距為13 m，具有大跨、重載、大層高和大體量等特點。

該工程為鋰離子電池正極材料生產線，廠房內的材料、設備應杜絕含有銅、鐵、鋅、鎳等材質的材料及設備，因此主體結構不具備使用鋼結構的條件?？紤]生產工藝及預制需要，采用鋼筋混凝土單向次梁布置，左側單元結構平面布置如圖1所示。

采用結構軟件進行結構試算，當生產線區域柱截面尺寸取1100×800，框架梁截面尺寸500×1200時，X向最大地震層間位移角1/697，Y向最大地震層間位移角1/592，由于局部層高達到11.5 m，因此框架梁柱的配筋率相對較高(2%～2.5%)。本工程的生產線作業區和車道均設置較為緊湊，常規結構方案的柱截面尺寸無法滿足生產線工藝要求；且預制構件重達16.5 t左右，吊裝措施費相對較高。因此，在與業主及總包單位充分溝通基礎上，采用消能減震方式進行優化設計。

2 消能減震原理

消能減震結構主要是通過設置消能減震裝置以控制結構在不同烈度地震作用下的預期變形，從而達到不同等級抗震設防目標[1]。該工程減震設計采用屈曲約束支撐(BRB)作為消能減震部件。屈曲約束支撐是由核心受力芯材、外約束單元、無粘結材料組成[2]，利用核心單元產生彈塑性滯回變形耗散能量、外約束單元提供防屈曲約束的減震裝置[3-4]。

一方面，BRB可為結構提供足夠的剛度和承載力，有效減小構件截面尺寸，又不影響建筑功能且施工方便，大大提高了結構方案合理性；同時，BRB可在罕遇地震下進行耗能，提升建筑抗震能力，從而保護強烈地震下建筑物內的人員和財產安全。對該工程有著重大意義。

由于鋰離子電池正極材料生產線特殊的工藝要求及防腐要求，擬采用BRB本體包裹碳纖維材料，BRB端頭、節點板及預埋件外露部分采用環氧樹脂類材料涂刷，如圖2所示。

圖2 該工程采用的BRB類型

3 屈曲約束支撐(BRB)設計

該工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標和性能目標,如表1所示。

表1 減震目標和性能目標

該工程消能減震方案設計原則為：

(1)依據預期的水平地震力和位移角控制要求及耗能等參數，估算出減震結構所需附加剛度，據此選擇合適的BRB參數和數量，并通過調整彈性段來使BRB種類不致過多，具體如表2所示。

表2 工程BRB產品參數表

(2)BRB配置在層間相對位移較大樓層，同時采用合理連接形式增加BRB兩端的相對變形，以提高BRB的減震效率。

(3)消能子結構中的框架梁柱設計應考慮BRB在極限位移下的阻尼力作用。

(4)BRB與主結構之間連接部件需適當設計，使其在罕遇地震作用下仍可維持彈性狀態。

(5)BRB的平面布置原則：遵循“均勻、分散、對稱”原則，主要在樓電梯間、功能分區交界等區域布置，保證其既不影響生產工藝及建筑采光和內部空間分割功能，又能滿足結構剛度和耗能需求，如圖3所示。

圖3 一層BRB平面布置圖

4 結構減震前后主要經濟指標對比

結構減震前后主要經濟技術指標對比如表3所示，梁柱節點布筋對比如圖4所示。

(a)非減震結構 (b)減震結構

綜上所述，在最大地震層間位移角降低12%～30%情況下，應用消能減震方案可降低總混凝土量約1/10，對減小構件截面、鋼筋數量效果尤其顯著。以生產區的梁柱為例，柱截面尺寸由1100×800減小為900×800，Y向主梁由500×1200減小為500×1000，使得預制混凝土構件生產、安裝難度及措施費大幅降低。

表3 結構減震前后主要經濟指標對比

5 消能減震結構抗震性能分析

對減震結構進行整體分析，應包含減震結構的彈性分析及彈塑性分析。其具體設計內容主要包括：

(1)計算附設BRB的減震結構在多遇地震作用下的結構響應；

(2)進行彈性時程分析，復核多遇地震作用下位移角；

(3)進行設防地震時程分析，復核設防地震作用下BRB耗能；

(4)罕遇地震作用下，進行彈塑性位移驗算。

5.1 模型概述

對主廠房左側單元使用SAP2000有限元分析軟件建立結構模型，并進行計算與分析，如圖5所示。

圖5 SAP2000模型

SAP2000模型中屈曲約束支撐(BRB)采用非線性單元Plastic(Wen)模擬，如圖6所示。

圖6 屈曲約束支撐(BRB)的模型圖(13-13軸)

5.2 地震波的選取

遵循《建筑抗震設計規范》[5]第5.1.2條相關規定，進行時程分析法時，選用的加速度時程曲線類型和加速度時程最大值如表4所示。

表4 時程文件信息

7條時程反應譜與規范反應譜曲線的對比如表5所示，地震波的詳細情況如圖7所示，均滿足《建筑抗震設計規范》[5]第5.1.2條相關條文說明的要求。

表5 7條時程反應譜與規范反應譜曲線對比表

本文選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，對比結果如表6所示，符合《建筑抗震設計規范》[5]第5.1.2條相關規定。

5.3 多遇地震彈性時程分析

在SAP2000分析中，彈性時程分析采用SAP2000所提供的快速非線性分析(FNA)方法，即只考慮BRB的非線性、結構本身假設為線性，樓層位移角曲線如圖8所示。

圖7 7條時程反應譜與規范反應譜曲線

圖8 樓層位移角曲線

由彈性時程分析結果可知，所有類型的BRB在多遇地震下受力均小于BRB屈服力，且7條地震波作用下的層間位移角包絡值，均滿足多遇地震的減震目標1/620，因此該BRB布置方法滿足多遇地震下“全樓結構完全彈性”的性能目標。

5.4 設防地震和罕遇地震BRB耗能分析

在SAP2000中，使用連接單元Plastic(Wen)對屈曲約束支撐(BRB)進行準確模擬，并將本模型中的框架梁、柱均定義塑性鉸。彈塑性時程分析過程中不考慮結構的幾何非線性，只考慮材料非線性并采用小變形假定。對動微分方程的計算，采用Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，其中β系數與γ系數分別取0.25和0.5，Alpha系數為0。選用前述的七條地震波進行設防地震和罕遇地震分析，分析結果取平均值。設防地震下BRB出力和位移情況如表7所示。罕遇地震下BRB出力和位移情況如表8所示，耗能滯回曲線如圖9所示。

表7 設防地震下BRB出力和位移情況

表8 罕遇地震下BRB出力和位移情況

圖9 罕遇地震下BRB耗能滯回曲線

由上可知，在設防地震下部分BRB開始進入屈服狀態耗能；在罕遇地震下BRB大部分進入塑性，發揮了良好耗能能力；罕遇地震BRB滯回曲線較為飽滿，體現了結構較好的塑性變形能力。

5.5 結構減震前后在罕遇地震下的彈塑性性能對比

進行單向地震輸入作用下的結構彈塑性動力性能分析，得出結構地震作用響應結果(位移角、塑性鉸分布等)，以獲取不同地震波、不同地震輸入方向作用下結構的彈塑性性能，主要計算結果如表9所示。

表9 罕遇地震下非減震結構、減震結構最不利

由上可知，該工程通過設置屈曲約束支撐(BRB)，建筑抗震性能得到明顯提高，且減震結構單向最不利層間位移角均滿足罕遇地震下的減震目標1/100。

根據《建筑抗震設計規范》[5]為了保證“大震不倒”，結構在地震作用下必須具有合理耗能機制，即允許在罕遇地震作用下部分結構構件進入塑性狀態。結構耗能性能與結構出鉸情況及出鉸順序有關。本節列舉了部分地震波在Y向單向輸入時結構設置和未設置BRB的典型立面的出鉸順序，來說明結構在彈塑性分析過程中的變化情況，如圖10～圖11所示。

由上可知，罕遇地震作用下，減震結構出現梁鉸的時間于非減震結構之后，且在第1501步時BRB周圍結構構件未進入塑性狀態，耗能能力增強，既滿足前述罕遇地震下性能目標即“消能減震器的功能仍能正常發揮，消能器周圍框架及節點滿足構件極限承載力要求”，又體現了其良好的延性性能。

(a)非減震結構在第410步出現梁鉸 (b)非減震結構在第1501步出鉸情況

(a)減震結構在第421步出現梁鉸 (b)減震結構在第1501步出鉸情況

6 結語

現代消能減震技術在新能源和半導體產業工業廠房中具有廣闊應用前景：

(1)應用消能減震技術可顯著減小結構構件截面尺寸，進而降低總混凝土量(約1/10)；既提高了結構方案的合理性，也提升了建筑品質，尤其適用于柱距、層高、荷載、體量均較大的工業建筑。

(2)合理布置消能減震器，可有效減小層間位移角，從而達到既定減震目標，還可獲得良好抗震耗能機制和塑性變形能力，顯著提高結構主體的安全性。

(3)裝配式建筑結合消能減震方法優勢突出，不僅提升裝配式建筑安全性和工藝性，又能實現成本控制目的。