某钢框架结构的弹塑性减震方案分析

黄初涛+王惠民+刘时宜+肖启仁+赵帅+姚激+张庆

摘要：防屈曲约束支撑（BRB）性能稳定，滞回耗能好，受外界环境影响小，更换方便，价格便宜，是目前一种常用的减震阻尼器。本文以某钢框架结构的减震设计为例，研究比较了设置防屈曲约束支撑后，结构的地震响应。研究结果表明：屈曲约束支撑提高了小震时主体结构的刚度，增大了罕遇地震时的耗能，具有较好的抗震耗能机制，有效提高了主体结构的安全性。

Abstract： The BRB has stable performance and good hysteresis energy consumption， the external environmental has few impact on it， it is easy to replace and it is cheap， so it is a kind of commonly used damper. In this paper， the seismic design of a steel frame structure is studied， and the seismic response of the structure after the BRB is set. The results show that the BRB improves the stiffness of the main structure in the small earthquake， increases the energy consumption in the rare earthquakes， and it has good anti-seismic energy dissipation mechanism and is effectively improves the safety of the main structure.

关键词：钢框架结构；防屈曲约束支撑；时程分析；罕遇地震

Key words： steel frame structure；BRB；time-procedure analysis；rare earthquakes

中图分类号：TU313 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0099-04

0 引言

普通钢支撑对提高结构的刚度和承载力效果明显，且对建筑的布局的影响也较小，但是普通钢支撑容易产生受压失稳现象。为了克服普通钢支撑的缺陷，研究人员提出了防屈曲约束支撑。防屈曲约束支撑由芯材、外套筒以及套筒内无粘结材料三部分组成。由于芯材和无粘结材料之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，因此芯材拉压变形不受约束，但是受压失稳却被限制。防屈曲约束支撑拉压具有相同的承载力，从而提高其耗能能力。防屈曲约束支撑已在国内外众多工程得到应用[1-4]。地震作用下，防屈曲约束支撑要求如下：在小震作用下，防屈曲约束支撑保持弹性，为结构提供附加侧移刚度；大震作用下，防屈曲约束支撑能早于主体结构屈服，利用金属屈服后的塑性变形和滞回耗能来耗散其能量，从而减轻主体结构的地震反应。

1 防屈曲约束支撑的布置原则

防屈曲约束支撑的布置首先应满足建筑布置的要求，不影响建筑的使用功能，同时要“均匀、分散、对称”的布置于结构不同位置[5]。一般情况下布置在结构层位移较大或产生较大支撑内力的的楼层，且支撑布置宜沿结构两个主轴方向分别布置。

2 工程应用研究

钢框架结构因其空间布置灵活，传力体系明确，承载能力高，建造速度快，广泛应用于日常的生产生活中，同时，钢框架结构与钢筋混凝土框架结构一样，也存在抗侧刚度小，结构高度受限，属柔性结构框架，在罕遇地震作用下，其位移过大，很有可能因其位移过大而导致结构的倒塌。故引入防屈曲约束支撑，既可以为框架结构提供附加侧移刚度，也可以在大震中为结构提供附加阻尼比，增大其耗能从而减小其地震反应。

2.1工程概况

某卫生院采用钢框架结构，建筑总面积为3713m2，地上5层，其抗震设防烈度为8度，地震加速度峰值为0.3g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。抗震等级为一级，结构安全等级为一级，建筑使用年限为50年。其抗震设防类别为乙类，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[6]可知，采用时程分析时，小震下时程地震波加速度最大值取110cm/s2，大震下时程地震波加速度峰值取510cm/s2。

为使主体结构达到“在多遇地震作用下保持弹性，且非结构构件无明显损坏；在罕遇地震作用下，阻尼器正常发挥作用”这一设防目标，拟采用在主体结构上布置屈曲约束支撑，在小震时为结构提供附加刚度，在罕遇地震时先于主体结构屈服，利用其良好的滞回性能耗能充分耗散地震能量，从而减小主体结构的地震反应。从而解决了传统通过加大截面提高刚度的方法无法抵御罕遇地震的现状。

2.2 屈曲约束支撑的布置

本工程减震设计中，在主体结构上布置了40个屈曲约束支撑，X方向和Y方向各20个，其性能规格如表1。

防屈曲约束支撑布置于1到5层，其第一层平面布置图如图1所示。其他各层布置位置与第一层相同。

2.3 有限元模型的建立

依据建筑的要求，首先在PKPM中建模进行初步计算，确认结构方案合理后，再导入ETABS进行弹性时程分析，导入SAP2000进行弹塑性时程分析，在软件中使用连接单元模拟防屈曲约束支撑。有限元模型如图2所示。

不同软件导模型不可避免产生误差。因此有必要對PKPM建立的模型与有限元模型进行一致性检查，确保二者模型的误差在允许的范围内。通过研究，一般认为：当模型的质量、周期以及地震作用下结构各层层剪力基本相同的时候，模型基本相同。不加防屈曲约束支撑的非减震模型为准。非减震模型的PKPM模型与有限元模型的质量、周期以及各层层剪力对比如表2、表3以及表4所示。可以看出，PKPM模型与有限元模型的质量、周期以及各层层剪力误差均小于4%，这表明两个模型基本相同。endprint

2.4 地震波的选取

按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[6]要求，项目选取了2条实际强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线，进行减震结构的时程分析。三条地震波的波形如图3所示。其中：18号波—2002年Denali， Alaska地震Eagle River - AK Geologic Mat台站记录，50号波—1999年台湾CHICHI地震CHY082台站记录，R4为人工波。

由于不同的地震波输入，结构的反应会有很大的差异。因此需要对选取用于计算的地震波的合理性进行检验。对于地震波的合理性进行检验主要有两个方面：①结构主要振型的周期点由时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数，相差小于等于20%；②时程分析得到的结构主方向的平均底部剪力与振型分解反应谱计算结果满足规范[6]要求。

选用的一条人工波和两条天然地震波的加速度时程归一化系数曲线见图4。输入加速度时程，对结构进行弹性时程分析，结果取包络值。时程反应谱与规范反应谱影响系数对比如表5所示，弹性时程分析结构的底部剪力结果与反应谱分析结构的底部剪力结果对比如表6所示。

由表5可知，结构主要振型的周期点由时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数，最大差值为2.92%，相差小于等于20%[6]。从表6可以看出，单条地震波输入得到结构底部剪力与反应谱计算得到的结构底部剪力之比最小为89%，最大为111%，三条地震波输入得到结构底部剪力平均值与反应谱计算得到的结构底部剪力之比最小为100%，最大为107%。从表5与表6可以看出，计算选取的三条地震波满足规范[6]要求。

2.5 小震时程分析

按照预先假定，主体结构处于弹性状态，防屈曲约束支撑在小震时同样处于弹性状态，只为结构提供附加侧移刚度，弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑防屈曲约束支撑的刚度，结构本身假定为线性。

2.5.1 层间位移角计算结果

小震作用下，输入三条地震波，得到减震结构与非减震结构的最大层间位移角见表7。从表7可以看出，设置屈曲约束支撑的减震结构层间位移角要小于不设置防屈曲约束支撑的非减震结构层间位移角。这表明防屈曲约束支撑提高了小震时主体结构的刚度。另外从表7可以看出，小震作用下，减震结构的层间位移角均小于1/250，满足规范[6]要求。

2.5.2 小震BRB不屈服验算

限于篇幅，表8仅仅给出了部分防屈曲约束支撑在三条地震波作用下是否屈服的验算。从表8可以看出，小震作用下，防屈曲约束支撑最大出力均小于屈服承载力，这表明小震作用下，防屈曲约束支撑处于弹性状态。防屈曲约束支撑保持弹性状态，这是其为结构侧移刚度的有力保障。

2.6 罕遇地震时程分析

在罕遇地震时程分析过程中，防屈曲约束支撑采用连接单元Plastic-Wen模拟；主体结构框架梁、柱均定义塑性铰，分析过程考虑材料非线性，采用小变形假定，不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系数为0。其中消能子结构的梁柱不设置塑性铰，提取其大震内力结果进行配筋验算。

2.6.1 层间位移角计算结果

为了分析结构在不同地震波作用下结构的弹塑性性能，对结构进行罕遇地震下的弹塑性动力时程分析。三条波均分析前30s，得出结构地震作用响应结果，如位移、塑性铰分布等，因篇幅所限，仅提供以下三条地震波分析的层间位移铰的结果。

由表9可知，附加了屈曲约束支撑之后，其层间位移角有明显的减小，层间位移角均小于1/50，满足规范[6]要求，达到了规范的“大震不倒”的抗震设计要求。

2.6.2 结构的出铰情况

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），为了保证“大震不倒”，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下非子结构部分构件进入塑性，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。因篇幅所限，本文仅列举了18号波在地震作用下的X方向的出铰顺序，来说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况。

图5给出了结构在18号波X向单向输入时结构构件出铰情况。从图5可以看出，结构仅在非子结构的梁上出现塑性铰。

2.6.3 防屈曲约束支撑的分析结果

本减震结构共设置防屈曲约束支撑40个，其大震下位移与出力如下。因篇幅所限，只列出部分防屈曲约束支撑的位移与出力情况，见表10。从表10可以看出，大震作用下，屈曲约束支撑均已经屈服，表明在大震作用下，屈曲约束支撑发挥了良好的耗能作用，这将减少地震对主体结构的影响。

2.7 阻尼器周边构件罕遇地震承载力验算

与防屈曲约束支撑相连接的钢框架梁均设置M3铰，与防屈曲约束支撑相连接的钢框架柱均设置P-M2-M3铰，以考察各消能子框架在大震作用下的性能水平是否能达到既定的性能目标，以R4号波X向及Y向为例说明，图6分别为各消能子框架在R4号波最后一步的出铰情况，从图中可以看出，在大震作用下与防屈曲约束支撑相连接的框架梁柱均处于不屈服状态，其他两条地震波作用下，各消能子框架也同样保持不屈服状态，表明其能实现大震不屈的性能目标。

3 结论

本文采用三条地震波，对附设防屈曲约束支撑的某钢框架结构卫生院进行了弹塑性时程分析，得到如下结论：

①附加防屈曲约束支撑之后，无论是在小震作用下，还是大震作用下，减震结构的层间位移角均满足规范要求。屈曲约束支撑为结构提供了较大的安全容余。

②小震作用下，防屈曲耗能支撑保持弹性，提高了主体结构的侧移刚度；大震作用下，各个防屈曲耗能支撑（BRB）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（BRB）后，具有了良好的抗震耗能机制，提高了结构主体的安全性，使结构满足“大震不倒”的要求。

参考文献：

[1]王秀丽，陈发有.高烈度区BRB对局部收进高层钢结构的减震效果分析[J].甘肃科学学报，2015，27（1）：112-116.

[2]曹玉生，冯秋元.钢框架支撑体系抗震性能对比分析[J].内蒙古工业大学学报，2015，34（2）：90-94.

[3]强国平.高层钢结构支撑方案抗震性能對比分析[J].结构工程师，2012，28（3）：102-108.

[4]冯铭，杨聪武，曹志丹，等.屈曲约束支撑在高层钢结构住宅中的应用[J].结构工程师，2013，43（4）：66-70.

[5]陈亮，张庆，姚激.带防屈曲耗能支撑建筑的抗震性能研究[J].低温建筑技术，2017，39（6）：60-64.

[6]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB50O11—2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.endprint