某教学楼基于防屈曲支撑的减震设计与分析

马熙楠++杨建荣

摘要： 消能减震结构因其优越的抗震性能而得以广泛的运用，其中防屈曲支撑由于其良好的耗能性能及便于安装等优点而被运用到各类建筑的减震设计中。本文以某教学楼的减震设计为例，对结构进行弹性与弹塑性时程分析，对比减震与非减震结构的地震响应。结果表明结构在附设了防屈曲支撑后，减小了结构的层間位移，较大程度的提高了结构的抗震性能，体现了防屈曲支撑作为消能减震元件的可行性。

Abstract： Energy dissipation structures are widely used because of their superior anti-seismic performance. The buckling restrained brace has been applied to the seismic design of various buildings because of its good energy dissipation performance and easy installation. Taking the seismic design of a building as an example， the elastic and elastoplastic time history analysis of the structure was carried out to compare the seismic response of the structure with damping and non damping. The results show that the interlayer displacement of the structure is reduced and the seismic performance of the structure is greatly improved when the Buckling Restrained Braced is attached to the structure， thus demonstrating the feasibility of the Buckling Restrained Braced as the energy dissipation element.

关键词： 消能减震；防屈曲支撑；时程分析

Key words： energy dissipation；Buckling Restrained Braced；time history analysis

中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）02-0116-02

0 引言

近年来，地震频发，它自身的破坏性和所引发的次生灾害严重威胁了人类的生存和发展，因此受到人们的高度重视，抗震措施不断进步。如今采用非结构构件来耗散地震能量的方式被普遍采用，成为消能减震技术的一个重要组成部分，能够有效地减轻结构的地震反应，当地震来临时，耗能减震部件充当第一道抗震防线，首先进入耗能工作状态，吸收大量的地震能量，有效地保护了主体结构[1][2]。本文结合实际工程，采用防屈曲支撑作为耗能构件，对结构进行合规有效的抗震设计。

1 防屈曲支撑（BRB）简介

支撑是一种最为经济的抗侧力构件，它既能提高结构的刚度和承载力，又不影响建筑采光以及内部空间的分割，且施工方便。由于支撑屈曲不利于能量耗散，因此相对于传统支撑提出了一种新的可以避免屈曲的支撑，称为放屈曲支撑，也叫屈曲约束支撑钢框架BRB（Buckling Restrained Braced），防屈曲支撑由芯材，外套筒以及套筒内无粘结材料组成，其构造及耗能曲线如图1所示。支撑的中心是芯材，为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管内，然后在套管内灌注填充材料。

2 工程概况

本工程为某小学多层教学楼，结构体系为六层框架结构，总建筑面积为3609m2，建筑模型见图2。

3 阻尼器参数和数量的确定

根据《抗规》消能减震结构的总刚度应为主体结构刚度和消能部件附加给结构的有效刚度的总和。

本工程，采用YJK软件试算的方式，首先估算出当结构达到目标位移值时，所需的附加刚度，每层设置合理的支撑断面来考虑阻尼器作用。在YJK软件提取出支撑的刚度K和小震最不利组合轴力F，此时的刚度K和轴力F即为防屈曲支撑的刚度和参考轴力。确保防屈曲支撑在小震保持弹性，屈服力取值稍微大于小震最不利组合轴力F，为F。 K，F即为防屈曲参数。采用SAP2000软件进行小震阻尼器不屈的校核计算。

阻尼器的安装位置：楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则。阻尼器竖向布置先对非减震结构进行计算分析，找出层间位移角最大的楼层，并布置阻尼器，安装数量根据具体情况而定，然后再对安装了阻尼器的结构进行分析，再将阻尼器安装到此时层间位移角最大的楼层，如此循环直到将所有阻尼器安装完成。而在安装过程中，某一层的阻尼器数量不宜过多，当某一层所需的阻尼器过多时，可以将其安装到下面几层中层间位移较大的楼层，也能起到较好的减震效果，同时阻尼器基本保持沿楼层连续布置。

阻尼器的安装型式：考虑尽量不影响建筑功能的前提下，本工程决定采用人字撑和单斜撑形式布置BRB。

4 弹性时程分析

4.1 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。endprint

本工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，结果取平均值。此处仅例举3条地震波，对比结果如表3所示，均满足规范要求。

4.2 SAP2000弹性分析结果

在SAP2000分析中，弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑阻尼器的非线性、结构本身假设为线性。

经过计算，减震结构与非减震结构各层层间剪力比在X方向为1.21-1.41，Y方向为1.09-1.31。

阻尼器出力占楼层剪力的比值在X方向为0.27-0.53；Y方向为0.37-0.66，呈逐层增大趋势。

关于阻尼器的不屈验算，取小震最不利组合的轴力值与阻尼器屈服承载力作比较，均满足“小震不屈”要求。

5 减震结构弹塑性时程分析

5.1 SAP2000弹塑性模型的建立

本工程使用大型有限元分析软件SAP2000进行减震结构的弹塑性时程分析，使用连接单元Plastic-Wen模拟防屈曲支撑阻尼器，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。

5.2 结构弹塑性时程分析结果

三条波的计算结果为：R2号波X向1/188、Y向1/206；T2号波X向1/170、Y向1/197；T4号波X向1/177、Y向1/186。

三条波的计算结果为：R2号波X向1/161、Y向1/154；T2号波X向1/107、Y向1/128；T4号波X向1/161、Y向1/179。可以看出减震结构较非减震结构有更小的位移角。

大震下非减震结构、减震结构最不利层间位移角（1/rad）比值：减震结构X向的层间位移角包络值为1/170，非减震结构X向的层间位移角为1/107，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.63；罕遇地震作用下，减震结构Y向的层间位移角包络值为1/186，非减震结构Y向的层间位移角为1/128，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.69。

6 结语

本文采用防屈曲支撑对实际工程进行了抗震设计，对结构整体模型进行了弹塑性时程分析，采用三条地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构的弹塑性性能，主要结果总结如下：①罕遇地震作用下，构件均设定端部塑性铰，所有罕遇地震时程作用下，框架梁、柱均有塑性铰出现，且梁铰先于柱铰出现，三条波的计算结果为：R2号波X向1/188、Y向1/206；T2号波X向1/170、Y向1/197；T4号波X向1/177、Y向1/186，满足结构强柱弱梁的要求。②罕遇地震作用下，非减震与减震结构X、Y向层间位移角比值分别为0.63和0.69，均满足“罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移比小于0.75”的要求。③罕遇地震作用下，各个防屈曲耗能支撑基本进入塑性，发挥了良好的耗能能力。结构在附设了防屈曲耗能支撑后，具有了良好的抗震耗能机制，满足 “小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设计准则，提高了结构主体的安全性。

参考文献：

[1]王社良.建筑抗震设计[M].四版.武汉：武汉理工大学出版社，2011，12.

[2]李国强，王鹏，刘玉姝，蔡克铨.BRB应用于混凝土框架的弹性层间位移角限值与设计建议[J].工程抗震与加固改造，2013.

[3]杨昌民，牧野俊雄，李宏男.防屈曲支撑的研究进展及其工程应用[J].建筑科学与工程学报，2011，28（04）：75-85.

[4]JGJ297-2013，建筑消能減震技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]郝贵强，杜永山，齐建伟.防屈曲支撑（BRB）在抗震加固工程中的应用[J].建筑结构，2010.endprint