高层钢结构中BRC跷动技术的减震影响分析

谭燕秋，王颖欣

(河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038;)

跷动减震技术是允许上部结构和下部基础脱离，通过上部结构的晃动来隔震的一个新颖的减震设计概念，一般用于钢框架结构减震设计中。跷动减震技术由于抗震性能好、基础构造简化、经济效果明显这些优点，在国际上已成为工程抗震领域一个新的研究热点［1－4］。我国针对建筑结构跷动减震的研究刚刚起步，孙飞飞等［5］研究了自回复减震结构的自回复性能;杨芳等［6］则对BRC跷动减震技术的影响方面进行深入的研究。本文通过一个12层钢结构框架算例在地震波作用下的顶层最大位移、基底剪力和顶层绝对加速度时程这几种结构反应分析，得到BRC跷动结构对于高层钢框架结构减震的主要影响方面。

1 屈曲约束柱BRC模型的建立

1.1 BRC的减震原理

自回复跷动减震结构的跷动是通过自回复跷动减震柱柱底的抬起和闭合来实现。本文采用屈曲约束柱(BRC)作为自回复跷动减震底柱。屈曲约束柱(Buckling Restrained Column，简称BRC)跷动减震技术是将屈曲约束支撑用作底层柱，大震作用时的竖向拔力将使屈曲约束柱产生较大的变形，产生跷动，同时其优异的滞回耗能又可作为被动控制构件耗散地震输入的能量。根据能力设计的概念，可以将这些屈曲约束柱作为可牺牲构件，并且这种可牺牲构件在破坏或具有较大的残余变形后，还可以被替换，使结构恢复到震前的状态。图1为跷动结构示意图。

1.2 BRC结构模型的建立

本文对BRC跷动结构采用杆系模型，即采用梁单元模拟框架梁、柱。由于跷动结构的塑性变形主要集中在跷动发生处，对于上部结构，假设全部处于弹性状态。BRC主要承受轴力，与支撑的受力方式接近，可以采用SAP2000中的纤维铰模型:在支撑截面的面积上，将截面划分为若干等分，每一个区域都用一个纤维表示(图2)，纤维设置在划分区域的几何中心，面积与划分区域相等。

本文用两个单元分别模拟重力柱和BRC。建模时，在同一几何位置建立两个单元，一个定义为BRC，两端采用铰接，另一个定义为重力柱，柱底设置多线性支座，如图3所示。

2 结构模型

2.1 基本数据

选取一个12层的纯钢框架结构，建筑总高度36.3 m，共12层，首层层高3.3 m，2 ～12层层高 3 m，室内外高差为0.3 m，结构平面布置图见图4。主要构件见表1。

表1主要构件表Tab.1 Main components

2.2 方案布置

方案1:12层纯框架钢结构体系，为未控结构;方案2:以方案1为原型，在原结构的底层柱上的X方向设置BRC支撑;方案3:在原结构的底层柱上设置Y方向的BRC支撑。

本文选取三个地震记录典型的Ⅱ、Ⅲ类场地上的地震记录(EL－Centro波和Taft波)以及对结构响应最大的IV类场地的TRI_TREASURE ISLAND_90波进行分析，其中EL－Centro波峰值为341.7 cm/s，Taft 波峰值为 152.7 cm/s，TRI_TREASUREISLAND_90峰值为155 cm/s。

3 计算结果分析

3.1 动力特性分析

本例采取模态分析里的Ritz向量法。由模态分析，整理方案前6阶模态的自振周期，结果见表2。由表2知，方案2、方案3比方案1的自振周期有一定的增大，但增大幅度并不是特别明显。虽然屈曲约束柱也会使结构的刚度有所增加，但BRC减震结构主要是通过结构跷动消耗地震能，所以一定会比原结构的自振周期有所增大。

表2前6阶模态的自振周期Tab.2 The natural vibration period of anterior 6 step modal

3.2 结构地震响应分析

3.2.1顶层最大位移和基底剪力

由于方案2、方案3的区别在于底层屈曲柱分别安置在原结构底层的X方向和Y方向，因此，本文通过软件的模拟让EL－Centro波、Taft波和TRI_TREASUREISLAND_90分别从X方向、Y方向这两种情况下通过三种结构方案，得到的地震响应分析的数据如下:

表3从横向通过地震波的基底剪力和顶层最大位移(X方向)Tab.3 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(X direction)

表4从横向通过地震波的基底剪力和顶层最大位移(Y方向)Tab.4 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(Y direction)

表5从纵向通过地震波的基底剪力和顶层最大位移(X方向)Tab.5 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismicgo through structure(X direction)

表6从纵向通过地震波的基底剪力和顶层最大位移(Y方向)Tab.6 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismic go through structure(Y direction)

情况一:当地震波横向通过时，由表3和表4中的数据可知，在X方向，方案2、3的基底剪力和顶层最大位移和普通结构相差不大。而在Y方向，方案 2在 TAFT波、EL－Centro波和 TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分别为91.9%、92.9%和90.9%，顶层最大位移的控制效果则分别为36.3%、34.6%和6.6%;方案3基底剪力的控制效果为96.3%、96%和92.2%，顶层最大位移的控制效果明显。这表明，当地震波从横向通过结构时，在结构X方向安装BRC对地震有很好的控制作用，在Y方向安装BRC对基底剪力有很好的控制效果，而顶层位移的控制效果则与普通结构无太大区别。

情况二:对于从纵向通过的地震波，由表5和表6中的数据可知，在X方向，方案2在TAFT波、EL－Centro波和TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分别为92.9%、92.8%和91.3%，顶层最大位移的控制效果与原结构相差无几;方案3在三种波的作用下基地剪力的控制效果为91%、91.5%和92%，顶层最大位移的控制效果为26.5%、35.4%和33.1%。而在Y方向，方案2的减震效果并不明显;方案3基底剪力控制效果为17.4%、26.4%和30.6%，顶层最大位移控制效果与普通结构无异。这表明，当地震波纵向通过时，在结构X方向安装BRC可以起到一定的减震效果，而在Y方向安装BRC结构的减震效果非常明显。

综合以上两种情况，当地震波从结构纵向通过结构时，是最理想的应用BRC结构的条件;当地震波横向通过结构，也可以通过安装BRC对结构起到减震作用。

3.2.2顶层绝对加速度时程曲线比较

为了更好的比较三种布置BRC的方案，下面给出布置BRC的方案与未控结构的顶层绝对加速度时程曲线图，这里只讨论在纵向地震波作用下的三种方案顶层绝对加速的的时程曲线比较。结构的顶层最大加速度见下表9。由表中的数据得知，在Taft波的作用下方案2使结构的顶层最大加速度比原结构降低了 67.2%，方案 3为59.8%;在EL－Centro波的作用下，方案2比原结构的顶层最大加速度降低69.2%，方案3降低48.0%。在TRI_TREASUREISLAND_90波的作用下，方案2的顶层最大加速度比原结构减少了27.0%，方案3 减少了8.3%。

表7纵向地震波作用下的顶层最大绝对加速度Tab.7 The top of the maximum absolute acceleration under the action of vertical seismic wave m/s2

结合顶层绝对加速度的对比图(图5～7)，不难看出在Taft地震波从纵向通过结构时，方案2对结构的顶层最大加速度控制效果最好;在ELCentro波从纵向通过结构时，方案3对顶层最大加速的的控制效果好;而在TRI_TREASUREISLAND_90波作用下结构的顶层最大加速度控制作用不明显。

4 结论

1)BRC结构比传统钢框架结构的自振周期有所增加。

2)通过三种结构在三种地震波下的地震响应分析，BRC结构比传统的钢框架结构在减小地震能方面有显著优势，但对BRC在底层柱的布置方向存在着一定要求。

3)若结构任意方向布置BRC，地震波沿结构平面边长较短的一面传来时的减震效果优于沿结构平面边长较长的方向传播的地震波;若地震波的方向未知，在结构设计时，尽量把BRC布置在底层柱数目多的方向;能够使BRC结构减震最大化的情况是，BRC沿结构底层柱数目多的方向布置，而地震波方向垂直于BRC布置方向传播。

［1］谭燕秋，甄晓慧，史三元.双层柱面网壳结构在BRB作用下的减震分析［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2012，30(1):57－62.

［2］石怀荣，胡 娟.叉车减震垫检测机构动力学性能优化的设计研究［J］.河北科技大学学报，2011，32(4):54－57.

［3］刘建彬.防屈曲支撑及防屈曲支撑钢框架设计理论研究［D］.北京:清华大学，2005.

［4］郭彦林，刘建彬，蔡益燕，等.结构的耗能减震与防屈曲支撑［J］.建筑结构，2005，35(8):18－23.

［5］孙飞飞，曹 鹄.自回复跷动减震结构地震反应分析［J］.土木工程学报，2011，43:413－422.

［6］杨芳，孙飞飞.重力对屈曲约束柱跷动减震技术的影响［J］.建筑钢结构进展，2011，4(13):57－64.