框架—带防屈曲支撑钢连梁核心筒结构耗能能力分析

陈红宾，孙维东,2

(1.长春工程学院土木工程学院； 2.吉林省防灾减灾重点实验室，长春130012)

框架—带防屈曲支撑钢连梁核心筒结构耗能能力分析

陈红宾1，孙维东1,2

(1.长春工程学院土木工程学院； 2.吉林省防灾减灾重点实验室，长春130012)

为分析带防屈曲支撑钢连梁新型结构体系耗能能力，以某框架—核心筒结构为例，其筒体部分剪力墙分别采用全楼层均为钢筋混凝土连梁和局部层间位移较大楼层采用带防屈曲支撑钢连梁而其余楼层为钢筋混凝土连梁的两种方案，采用能量分析方法，分析了两种方案在罕遇地震作用下的耗能能力。通过对比两种方案的能量时程曲线可知，带防屈曲支撑钢连梁结构体系能有效降低结构构件的塑性发展，减轻结构的破坏，保护主体结构的安全。带防屈曲支撑钢连梁结构体系具有良好的耗能能力。

防屈曲支撑；钢连梁；能量分析；塑性耗能

0 引言

带防屈曲支撑钢连梁是一种新型的连梁型式[1-2]，由长春工程学院孙维东教授提出并对这种连梁型式进行了如下研究：对带防屈曲支撑钢连梁试验模型进行了低周反复荷载作用下的试验和理论分析，通过试验了解了带防屈曲支撑钢连梁的破坏机理、滞回性能及破坏形态，试验及理论分析结果表明，带防屈曲支撑钢连梁具有较高的承载力，滞回曲线饱满，具有较好的延性[3]；对带防屈曲支撑钢连梁联肢墙结构模型进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，分析了带防屈曲支撑钢连梁结构体系的抗震响应，计算结果表明带防屈曲支撑钢连梁结构体系具有较好的减震效果[4-5]；李康、牛心宇还对带防屈曲支撑钢连梁结构体系的经济性和可行性进行了分析，分析结果表明，该结构型式具有较好的经济性和可行性[6-7]。

带防屈曲支撑钢连梁是一种减震性能良好的连梁型式，为分析带防屈曲支撑钢连梁结构体系的耗能能力，本文以某框架—核心筒结构模型为例，其中筒体部分剪力墙分别采用全楼层均为钢筋混凝土连梁和局部层间位移较大楼层采用带防屈曲支撑钢连梁而其余楼层为钢筋混凝土连梁的2种方案，采用能量分析方法，分析了2种方案在罕遇地震作用下的耗能能力。拟通过对这2种方案的耗能能力进行对比，判断带防屈曲支撑钢连梁结构体系的耗能能力。

1 结构模型及分析方案

结构模型采用框架—核心筒结构，结构主体高度为97.8 m，地上27层，结构首层层高为4.2 m，2～27层层高为3.6 m，其结构标准层平面布置如图1所示，结构模型如图2所示。

该结构重要性系数取1.0，抗震设防烈度按8度，设计地震分组按第一组，设计基本地震加速度取0.2g，建筑场地类别按Ⅱ类，设计使用年限按50 a设计，基本风压取0.65 kN/m2，地面粗糙度按B类，基本雪压取0.45 kN/m2。

设计所采用的活荷载标准值为：楼面2.0 kN/m2，屋面2.0 kN/m2，消防疏散楼梯3.5 kN/m2，电梯机房7.0 kN/m2；恒荷载(含自重)标准值为：楼面5.0 kN/m2，上人屋面5.5 kN/m2；梁上线荷载根据所填充的非承重墙体容重计算：框架梁为6.39 kN/m，次梁为4.5 kN/m；主要结构材料：柱、梁、剪力墙、板的主筋采用HRB400，箍筋及分布筋采用HPB300，构件尺寸及采用的混凝土强度等级见表1；保护层厚度：柱为30 mm，梁为25 mm，剪力墙20 mm，板20 mm；抗震等级：框架和剪力墙的抗震等级均为一级；2、3轴线上剪力墙洞口尺寸宽2.5 m，高2.6 m。该结构设计模型在弹塑性分析下均满足规范要求。

图1 结构设计模型图

构件构件号截面尺寸/mm楼层/层构件号截面尺寸/mm楼层/层材料等级所在楼层框架柱KZA11400×14001300×13001200×12001100×11001000×1000900×900800×800700×7001～45～89～1213～1516～1819～2122～2424～27KZA21300×13001200×12001100×11001000×1000900×900800×800700×700600×6001～45～89～1213～1516～1819～2122～2424～27C55C50C45C401～8层9～15层16～21层22～27层剪力墙Q14504003501～1213～2122～27Q2Q3Q4450300200全楼层C551～10层C5011～20层C4521～27层梁KL500×700全楼层L1L2200×400400×550全楼层C30全楼层

图2 结构标准层平面布置图

方案1模型：框架—核心筒结构模型中2、3轴线联肢墙中全部楼层采用钢筋混凝土连梁；方案2模型：对方案1结构模型进行了罕遇地震下的动力时程分析，由层间位移角结果确定带防屈曲支撑钢连梁布置在2、3轴线联肢墙的9～20层，其余楼层采用与方案1相同的钢筋混凝土连梁。根据连梁尺寸，带防屈曲支撑钢连梁杆件布置形式如图3所示，并对带防屈曲支撑钢连梁与钢筋混凝土连梁进行了等刚度代换，且保证在罕遇地震发生时，防屈曲支撑率先屈服，计算出带防屈曲支撑钢连梁上下弦杆钢材选用Q345、截面尺寸为300×400×20/25 mm；防屈曲支撑芯板钢材采用Q235，支撑等效面积为7 000 mm2。在结构分析软件中防屈曲支撑采用wen模型滞回系统模拟[8]，主要参数：有效刚度取783 695 kN/m，屈服强度取1 645 kN，屈服后刚度和弹性刚度比取0.1。

图3 带防屈曲支撑钢连梁杆件布置示意图

2 能量分析法原理及地震波选取

对于传统抗震结构，地震对结构作用过程的能量的输入、转化和吸收可以通过能量公式(1)来表达[8]：

Ein=Ee+Ek+Ec+Eh，

(1)

式中：Ein为地震输入结构的总能量；Ee为结构的弹性应变能；Ek为结构动能；Ec为结构阻尼耗能；Eh为结构塑性耗能。

而对于防屈曲支撑等耗能构件的作用就是地震对结构作用过程中能量的耗散更多地发生在防屈曲支撑等耗能构件上，从而减小对其他结构构件的耗伤，以此来提高结构的耗能能力，其能量表达式为

(2)

式中Ed为防屈曲支撑耗能。

用能量分析法计算结构的耗能能力时，需要将地震运动的加速度时程曲线作为地震荷载作用于结构模型。因大部分的地区都不能找到现有的强震记录，可以根据规范和标准反应谱人工拟合生成地震波。图4为人工波反应谱与规范谱曲线对比图。根据计算模型在设防烈度为8(0.2g)度，场地类别为Ⅱ类，设计分组为第一组，特征周期为0.4，地震影响系数为0.9，主方向峰值加速度400 cm/s2时，在盈建科(YJK)程序中选取了一条人工波，地震波加速度记录如图5所示。分析时间取30 s，以结构纵向Y方向为主方向输入，横向X方向为次方向输入，Y、X方向地震动峰值加速度比值为1∶0.85。

图4 规范谱与反应谱对比图

图5 人工地震波加速度时程曲线图

3 2种方案耗能能力结果对比分析

传统抗震结构的耗能能力与带防屈曲支撑结构体系耗能能力的差异主要体现在防屈曲支撑耗能构件的耗能能力对整体结构耗能的影响，本文利用盈建科软件对结构模型进行了罕遇地震下的时程分析，计算出方案1和方案2结构模型在人工波作用下的能量时程曲线，如图6～7所示。由图6～7可反映出地震输入到结构的能量转换成了动能、塑性耗能和阻尼耗能，塑性耗能包含框架梁、柱、抗震墙等构件耗能。由于动能不参与结构的耗能，结构的耗能能力只能通过塑性耗能和阻尼耗能来体现，而塑性耗能是以结构塑性发现为代价，也是结构构件破坏的主要原因。图7中对于带防屈曲支撑钢连梁结构体系，地震输入到结构的能量一部分转化为防屈曲支撑耗能，使耗能构件防屈曲支撑吸收能量，有效地减少其他结构构件的塑性耗能，来保护主体结构。

图6 方案1结构模型能量时程曲线

图7 方案2结构模型能量时程曲线

图8～9为2种方案的塑性耗能及阻尼耗能对比图，在相同人工地震波时程作用下，12.50 s后方案2结构模型的防屈曲支撑(BRB)耗能稳定，大大减小结构的塑性耗能，能有效地保护主体结构安全。在15 s之前2种结构模型的阻尼耗能相差不大，而在15 s之后方案1结构模型的阻尼耗能大于方案2，说明防屈曲支撑耗能减少了结构塑性发展，降低了整体结构的阻尼耗能。

图8 2种方案塑性耗能对比图

图9 2种方案阻尼耗能对比图

根据盈建科程序计算得出的结构耗能能力表，见表2可知，带防屈曲支撑钢连梁结构体系能够降低地震输入到结构的能量，方案2结构模型较方案1结构模型的塑性耗能大大降低，有效地保证主体结构的安全。由表3结构耗能能量比率表可知，方案2结构模型的阻尼耗能占输入结构能量的主要部分，比方案1结构模型的阻尼耗能比例提升，说明阻尼耗能在结构整体耗能中起到重要作用。方案2结构模型的塑性耗能与输入到结构的总能量比例比方案1结构模型大幅度减小。由此可见，防屈曲支撑耗能减小了结构其他构件的塑性发展破坏，有效地降低了塑性耗能所占比例。可以看出带防屈曲支撑钢连梁在整体结构中起到非常重要的耗能作用。

4 结语

通过对某框架—核心筒结构在2种连梁方案于罕遇地震作用下的耗能能力对比分析表明，带防屈曲支撑钢连梁结构体系降低了整体结构的塑性耗能，减少了整体结构的其他结构构件塑性发展，提高了主体结构在罕遇地震作用下的安全性，比传统抗震结构体系具有更好的减震耗能作用。

表2 结构耗能能量表

表3 结构耗能能量比率

[1] 孙维东.防屈曲支撑连梁：中国，ZL2010219480034[P].2011-03-01.

[2] 孙维东，李九阳，牛心宇，等.新型带防屈曲支撑钢连梁结构体系[J].长春工程学院学报：自然科学版，2015(1)：25-29.

[3] Sun Weidong，Li Kang，Niu Xinyu.An experimental study on seismic performance of steel truss coupling beams with buckling-restrained brace[J].The Open Civil Engineering Journal，2015(9):134-139.

[4] 孙维东，李康.框架—带防屈曲支撑钢连梁筒体结构抗震性能分析[J].长春工程学院学报：自然科学版，2015(4)：1-5.

[5] Sun Weidong，Niu Xinyu，Chen Hongbin.analysis for seismic performance of sheer wall-steel truss structure System[C]//Progress in Civil,Architectural and Hydraulic Engineering IV.London:CRC Press,2015:131-135.

[6] 李康.带防屈曲支撑钢连梁联肢墙抗震性能及工程应用研究[D].长春：长春工程学院，2015.

[7] 牛新宇.剪力墙—支撑结构体系抗震性能及工程应用研究[D].长春：长春工程学院，2015.

[8] 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.

The Analysis of Energy Dissipation Capacity of Core Tube Structure in Steel Coupled-beam Frame and Buckling Support

CHEN Hong-bin，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to analyze the energy dissipation capacity of the new type structural steel coupled-beam with buckling support，this paper takes a frame-core tube structure as an example to analyze the energy dissipation capacity in the case of rare earthquakes under the two schemes by using the energy analysis method.The tube part of shear wall is respectively made of reinforced concrete coupling beam in whole building，the steel coupled-beam with buckling support in local floors with larger displacement and the reinforced concrete coupling beam in the rest floors.With the comparison of the energy dissipation time-history curves of two schemes，the results show that the steel coupled-beam structure with buckling support can effectively reduce the plastic development of structural members，reduce structural damage，and protect the safety of the main structure.The steel coupled-beam structural system with buckling support has good energy dissipation capacity.

buckling support；steel coupled-beam；energy analysis；plastic energy consumption

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.004

2016-12-26

陈红宾(1990-)，男(汉)，河南新乡，硕士 主要研究建筑结构防灾减灾。

TU398.2

A

1009-8984(2017)01-0015-04