防屈曲耗能支撑框架结构抗震性能研究

杭振园,仰沈琴

(1. 浙江交通职业技术学院，杭州 311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)



防屈曲耗能支撑框架结构抗震性能研究

杭振园1,仰沈琴2

(1. 浙江交通职业技术学院，杭州 311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

防屈曲支撑(Bucking Restrained Brace,简称BRB)作为一种当今颇具应用前景的耗能减震构件，可以在地震来临时展现出良好的耗能能力和延性。介绍了BRB的基本原理和布置原则，并结合工程案例，采用有限元软件对一栋采用支撑型耗能器的学校建筑(9度区)进行了动力弹塑性分析和抗震性能评价。分析结果表明：在结构的合理位置设置BRB可以有效地提高原结构的抗震性能，是实现建筑结构基于性能化设计的有效方法。

防屈曲耗能支撑；弹塑性分析；9度区；抗震性能

0　引　言

近几十年以来，防屈曲耗能支撑在美国、日本、我国台湾等国家和地区应用较多。防屈曲耗能支撑是一种在受拉和受压状态下都不发生屈曲的支撑，与传统支撑相比具有更稳定的力学性能。通过屈曲约束支撑不仅可以提高结构的刚度和延性，而且利用钢材的滞回性能可以消耗由于水平荷载作用在结构上的能量，对结构的抗震能力提高有很大意义[1-2]。

BRB主要由核心受力芯材、约束系统(钢管、砂浆、混凝土等)和无粘结材料组成。其工作原理为：支撑构件在地震作用下所承受的轴向力作用全部由核心受力芯材承受，芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，外围钢管和套管内灌注的混凝土或砂浆给芯材提供约束，避免芯材受压时发生屈曲破坏。相关试验表明防屈曲支撑具有很好的变形能力和抗疲劳性能(如图1所示)，可以应用于各类建筑结构，特别是高烈度区建筑、需要高标准设防的建筑、加固项目和大跨度结构等[1]。

图1　BRB 30周加载试验曲线

1　BRB的布置原则

合理布置BRB是提高结构抗震性能和经济性的有效手段，可以避免结构形成明显的薄弱层和扭转效应，总的布置原则如下：

(1)各层BRB力学参数宜沿着房屋高度均匀变化，且与相关结构参数的比例应尽量一致。

(2)BRB的布置位置要考虑建筑要求、检修、施工等因素：①宜考虑结构的建筑使用功能要求；②不宜出现薄弱构件和薄弱层；③BRB的竖向布置宜使结构沿高度方向均匀，在特殊情况下可以根据要求在局部进行布置。

(3)BRB应尽量布置在相对位移或相对速度较大的楼层，同时应采用合理的形式增加BRB两端的相对变形或相对速度，提高BRB的减震效率。

(4)BRB在框架中一般布置成单斜式、V字形或者倒V字形，支撑的角度一般为35°～55°，其两端连接通常处理成铰接，用拼接板或者销轴与框架梁柱的节点板连接，如图2所示。

(a) 人字撑　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 斜撑

2　工程实例分析

2.1建筑结构概况

本文研究对象是一栋学校建筑(9度区)，结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构。该结构地上4层，局部有错层，第一层层高4.5m，第二层层高3.6m，第三层层高3.7m，第四层层高2.1m，总高度为13.9m；建筑水平投影长度为37m，宽度为26m；一层、二层的柱截面尺寸多为600mm×600mm，梁截面尺寸多为300mm×700mm，三层、四层柱截面尺寸多为500mm×500mm，梁截面尺寸多为300mm×600mm。运用PKPM对结构进行小震验算，验算结果表明不能满足相关规范的要求。

2.2目标实现方案

该学校的抗震性能目标：在多遇地震作用下结构保持弹性；在设防地震作用下和罕遇地震作用下控制结构层间位移，防止结构发生倒塌。

该结构小震验算结果不满足相关规范的要求，故当要满足“大震不倒”时[2]，需要对原结构模型进行加强，本文采用BRB加强方案——在原结构模型中合理设置BRB(要求BRB在多遇地震下就开始耗能)。BRB的相关参数如表1所示，具体布置位置如图3所示。

表1　防屈曲支撑参数表

2.3多遇地震下计算结果

使用SAP2000进行建模，用3D框架单元模拟梁、柱构件，用link单元模拟防屈曲耗能支撑，采用Plastic(Wen)模型。材料的弹性模量、屈曲强度、密度、配筋等参数按工程设计取值[3]。

根据我国现行规范要求[2]，结构非线性时程分析应选择2条实际强震记录波和1条人工波。本算例未得到原工程的场地波和人工波，所以采用了程序提供的美国EICentro波、兰州波1和唐山-北京饭店波作为输入的地震波。加速度输入峰值分别调至：多遇地震140cm/s2，设防地震400cm/s2，罕遇地震620cm/s2，经检验这3条地震波均满足规范要求，结构基底剪力均大于振型分解反应谱计算结果的65%，且平均值大于阵型分解反应谱计算结果的80%。下文采用动力弹塑性分析方法对BRB加强的结构在多遇地震、设防地震和罕遇地震下的抗震性能和BRB性能分别进行了研究。

图3　BRB在结构中的布置位置

BRB在多遇地震作用下即开始耗能(见图4，限于文章篇幅，本文仅对结构一层Y向BRB进行研究)，为结构提供了可观的附加阻尼，对设置BRB的计算模型进行振型反应谱分析，通过多次迭代计算得到BRB结构的附加阻尼比为7.6%。BRB结构在多遇地震下的主要指标见表2，可见合理设置BRB不仅可以使原结构各项指标满足规范要求，并且可以有效地增加结构的附加阻尼，从而削弱地震对结构的效应。

图4　多遇地震(EICentro波)作用下1层Y向BRB的滞回曲线

类型周期(s)最大层间位移角基底剪力(kN)123XYXY原结构05120503804771/4821/48688659026BRB方案0459045504041/8731/88174707512

2.4设防地震下计算结果

本算例中，大部分防屈曲耗能支撑在多遇地震作用下即进入屈服耗能阶段，在设防地震下所有支撑进入屈服耗能阶段。相比图4和图5可知，在设防地震作用下BRB的滞回曲线更加饱满，耗散的地震能量更多。

图5　设防地震作用下1层Y向BRB滞回曲线

图6为3条波作用下结构位移和层间位移角示意图，可见结构Y向最大位移为24.673mm，结构最大层间位移角为1/240，远小于规范要求的1/50，表明BRB框架结构在设防地震作用下不会发生倒塌，可以实现预定的设防目标[2]。

(a)结构位移

(b)层间位移角

2.5罕遇地震下计算结果

对结构进行罕遇地震下的动力时程分析。图7为结构第一层Y向BRB在EICentro波作用下的滞回曲线，可见BRB滞回曲线非常饱满，展现了其在罕遇地震作用下优秀的耗能能力；BRB的最大轴向位移为22.462mm，约为其屈服位移的12.12倍，但远远小于该类支撑失效时的最大延性比，完全可以起到防止结构倒塌的作用。

图8为3条波作用下结构位移和层间位移角示意图，可知结构Y向最大位移为86.81mm，结构最大层间位移角为1/140，远小于规范要求的1/50，故BRB框架结构可以较好地满足大震不倒的设防目标。

图7　罕遇地震作用下1层Y向BRB滞回曲线

(a)结构位移　　　　　　　　　　　　　　　　(b)层间位移角

图9　Y向罕遇地震作用下结构塑性铰分布情况

在Y向罕遇地震作用下结构的塑性铰分布情况见图9，结构中主要构件的塑性铰基本处于弹塑性阶段，表明当罕遇地震作用于此BRB框架结构时，结构可以有效地抵抗罕遇地震作用，可以防止结构发生倒塌，并保证相关生命的安全。

3　结　语

本文首先简要介绍了BRB的基本原理和布置原则，随后结合工程算例(此算例小震不满足规范要求)进行BRB布置，并对BRB框架结构的抗震性能和BRB性能进行了研究和分析，得出以下结论：

(1)防屈曲支撑的滞回曲线饱满，耗能效果良好，可以显著提高结构的阻尼比。

(2)高烈度区建筑结构通过利用防屈曲支撑的抗震性能，将其设置在结构内与原结构构件协同工作，可以大大提高结构的抗震性能，并可以使结构具有较好的可靠度。

(3)防屈曲支撑在提高结构刚度的同时又能较好地控制结构的刚度，从而减小结构地震力，相比传统加强方案，可以减少可观的材料用量，具有良好的工程应用前景。

[1]周云．防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M]．北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]．

[3] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M]．北京:人民交通出版社,2011．

Research on Seismic Behavior of Frame Structure with Buckling Restrained Brace

HANG Zhen-yuan1,YANG Shen-qin2

(1.Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112,China;2.Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research, Hangzhou 310006,China)

As a kind of prospective energy dissipation and vibration reduction component, nice energy dissipation capacity and ductility of buckling restrained brace (BRB) could be exhibited when the structures subjected to the earth quake. In this paper, basic principle and arrangement principle of BRB have been introduced briefly, and on the base of an engineering case, dynamic elastic-plastic analysis and evaluation of seismic performance of the structure which has used support type energy dissipators in 9 regions have been done. It has been indicated that seismic behavior of the structure would be improved when BRB has been arranged reasonably in structures by the analysis results, and BRB scheme is a effective way to design based on the structure performance.

buckling restrained brace; elastic-plastic analysis; 9 regions; seismic behavior

2016-04-05

浙江省交通教育科研专项计划项目(2014J07)；浙江省教育厅科研项目(Y201533216)；交通运输部应用基础研究项目(2015319G01170)

杭振园(1987-)，男，江苏宜兴人,助教，硕士，E-mail：hzy1414@126.com。

TU352.11

A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.02.003

1671-234X(2016)02-0010-05