防屈曲支撑在高层钢结构中的应用研究

林纯

摘 要：简要介绍数值子结构方法，并基于该方法对装配防屈曲支撑的高层钢结构进行地震动力响应分析，深入研究在地震损伤过程中防屈曲支撑构件数量、位置对于结构整体响应的影响。

关键词：数值子结构方法；防屈曲支撑；高层钢结構；地震动力响应分析

中图分类号：TU973+.13 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0034-04

Abstract： The numerical substructure method is briefly introduced， and based on this method， the seismic dynamic response of high-rise steel structures with buckling-restrained braces is analyzed. The influence of the number and position of anti-buckling braces on the overall response of structures in the process of earthquake damage is studied in depth.

Keywords： numerical substructure method； buckling-restrained braces； high-rise steel structure； seismic dynamic response analysis

引言

实际工程中经常出现结构在荷载作用下，仅局部区域进入非线性甚至强度破坏而其余区域仍处于弹性或小变形状态，整体非线性效应不可被忽略，上述属于局部非线性系统。随着我国对大型土木工程的需求持续增加及结构类型、构件和材料复杂化，此类现象日益突出。现诸多学者针对局部非线性系统的响应分析进行深入研究并提出响应计算方法。新型数值子结构方法利用大规模结构局部非线性特征，又考虑结构地震损伤和破坏全过程中局部损伤部位和演化路径的不可预知性，兼顾计算精度和效率，与其他方法相比具有一定的优越性[1]。

防屈曲支撑（BRB）是一种新型支撑形式，能有效防止支撑在受压条件下的屈曲，具有良好的延性及耗能性能。目前BRB构件作为消能减震构件广泛用于高层建筑结构中。BRB构件在小地震下处于线弹性状态；而在中震及大震下，核心单元屈服进入塑性，具有金属阻尼器的耗能能力，从而使得主体结构基本处于弹性范围内。由于BRB构件能够全面提升传统支撑在中震和大震下的抗震性能，故目前作为消能减震构件被广泛用于建筑结构中[2-3]，并在高层建筑结构中加以利用[4]。由于防屈曲支撑构件的重要性，将数值子结构方法拓展至装配BRB构件高层建筑结构的非线性动力分析是非常必要的。BRB构件虽然概念简单明确，但工作机理较为复杂[5]，须对其深入分析BRB构件耗能机理等。

本文基于数值子结构方法对装配防屈曲支撑的高层钢结构进行地震动力响应分析，深入研究在地震损伤过程中防屈曲支撑构件数量、位置对结构整体响应的影响。

1 数值子结构方法

数值子结构方法采用非精细化主结构模型对整体结构进行模拟并用线弹性有限元分析。同时建立精细化的隔离子结构对进入非线性状态的构件进行精确高效模拟。主、子结构间通过“非线性修正力”建立边界位移和力平衡方程并用Client-Server（CS）技术进行模拟。数值子结构方法具体计算流程如图1所示。

本文将防屈曲支撑构件作为关键构件，直接对其隔离并建立精细化模型，无需进行塑性判断。

2 装配防屈曲支撑的高层钢结构模型优化设计

本文以一原装配钢支撑高层钢框架结构核心筒模型为研究对象进行分析，探讨防屈曲支撑数量、位置对于结构整体响应的影响，模型如图2所示。

2.1 防屈曲支撑模型参数的选取

模型中采用的防屈曲支撑力学模型由Zona等开发，该模型滞回关系简单，参数意义明确，可精确模拟BRB力学行为[6]。BRB模型的内部参数值见表1。其中E0为弹性模量， 为初始屈服应力， 为拉伸条件下的极限应力， 为压缩条件下的极限应力， 为弹性至塑性过渡形状控制参数， 为硬化模量， 为硬化率。

2.2 五种不同设计方案

在原模型基础上设计五种不同防屈曲支撑替换率的方案进行对比分析，如图3所示。方案一为原模型，即所有支撑均为钢支撑；方案二将结构1～8层钢支撑替换为BRB构件，替换率为25%；方案三将结构1～16层钢支撑替换为BRB构件，替换率为50%；方案四将结构1～24层钢支撑替换为BRB构件，替换率为75%；方案五将结构所有钢支撑均替换为BRB构件，替换率为100%。

2.3 高层钢结构的整体响应比较分析

算例中分别采用非迭代数值子结构方法及常规建模方法计算结构整体响应，采用Taft地震波对结构进行动力响应分析，地震波时间步长为0.01s，总时长为20s，如图4所示。

图5、图6分别为五种方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱A及内核心筒角柱B的层间位移包络图。规范[7]中规定地震作用下钢结构最大层间位移角限值为1/250，结合图可得五种方案在地震作用下的最大层间位移角为1/270，符合设计规范。如图所示，结构在未布置任何BRB构件情况下层间位移角最大。结构的最大层间位移角随着BRB构件的替换率增大而逐渐减小。在替换率达到50%，即结构1～16层均为BRB构件情况下结构最大层间位移角发生明显变化。替换率超过50%之后，结构最大层间位移角的下降趋势较不显著。通过五种方案的对比，可得到防屈曲支撑构件与普通钢支撑相比具有较好的耗能性能。此外，当对普通钢支撑替换率为50%时，结构抗震性能得到显著提升。当替换率为75%时，结构抗震性能与全装配防屈曲支撑构件相比基本相同。

图7、图8分别为五种方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱及内核心筒角柱各楼层剪力变化图。如图所示，楼层剪力随层高的增加而逐渐减小，但当达到一定层高，减小趋势变得缓慢。结构在未布置任何BRB构件情况下剪力值最大，剪力值随着BRB构件的替换率增大而逐渐减小。内核心筒角柱剪力变化比外框架角柱剪力变化明显，主要原因为BRB构件布置于核心筒区域，所以对该区域作用最为明显。在替换率达到50%时，即结构1～16层均为BRB构件情况下，结构最大剪力发生明显变化。通过五种方案的对比，可得防屈曲支撑构件具有较好的耗能性能。此外，当对普通钢支撑替换率为50%时，结构抗震性能得到显著提升。当替换率为75%时，结构抗震性能与全装配防屈曲支撑构件相比基本相同。

3 结束语

本文通过数值子结构方法对装配防屈曲支撑的高层钢结构进行数值模拟，并进一步研究防屈曲支撑构件数量、位置等对结构整体响应的作用。对原结构中的钢支撑进行替换，提出五种不同替换率的方案。数值结果显示结构在全装配普通钢支撑的情况下，层间位移角及剪力值均最大；而在全装配防屈曲支撑的情况下，层间位移角及剪力值最小。防屈曲支撑在结构底部能充分发挥耗能作用，故将结构底部的普通钢支撑换为防屈曲支撑能有效减小结构的层间位移角及剪力值。五种方案的比较显示，当替换率达到50%时，即结构底部1～16层的普通钢支撑全替换为防屈曲支撑，结构性能得到显著改善；当替换率为75%时，结构性能已经与全装配防屈曲支撑的结构性能基本一致。从而验证BRB构件的耗能性能优于普通钢支撑，且基于50%～75%范圍对结构底部的普通钢支撑进行替换时既能充分发挥防屈曲支撑的耗能作用也能使经济效益最大化。

参考文献：

[1]Sun B， Gu Q， Zhang P， et al. A practical numerical substructure method for seismic nonlinear analysis of tall building structures[J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings， 2017，26（16）.

[2]Sabelli R， Mahin S， Chang C. Seismic demands on steel braced frame buildings with buckling-restrained braces[J]. Engineering Structures， 2003，25（5）：655-666.

[3]郝晓燕，李宏男.装有腹板式钢制防屈曲支撑框架结构振动台试验及分析[J].振动与冲击，2014，33（16）：130-134.

[4]Clough R W， Wilson E L. Dynamic analysis of large structural systems with local nonlinearities[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1979，17：107-129.

[5]赵俊贤，吴斌，梅洋，等.防屈曲支撑的研究现状及关键理论问题[J].防灾减灾工程学报，2010（S1）：93-100.

[6]Zona A， Dall'Asta A. Elastoplastic model for steel buckling-restrained braces[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012，68（1）：118-125.

[7]GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.