高层钢框架屈曲约束支撑结构设计要点

刘正雄，郑希明

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

1 屈曲约束支撑简介

为提高高层钢框架结构的承载能力和侧向刚度，避免过多地加大梁柱截面而增加用钢量，常在框架中布置竖向支撑，使结构在承受水平风荷载、地震荷载时，框架有两道抗侧力防线。普通支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑（BRB），如图1 所示。屈曲约束支撑的滞回性能优良，通过合理、有效地布置，可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能[1]。

图1 屈曲约束支撑

屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服[2]。因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良，一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，使得主体结构在中地震下基本处于弹性范围内[3]。

2 屈曲约束支撑优点

2.1 承载力高

抗震设计中，普通钢支撑承载力设计值为：

式中，φ 为轴心受压构件的稳定系数；A为支撑的截面面积；f为支撑材料强度设计值；λn为支撑的正则化长细比，λn=（λ/π）（其中，λ 为支撑长细比；fy为钢材屈服强度；E为钢材弹性模量）。

屈曲约束支撑承载力设计值为：

式中，A1为约束屈服段的钢材截面面积；fy为芯板钢材的屈服强度标准值。

容易看出，普通钢支撑承载力由其构件稳定系数φ 控制，而屈曲约束支撑承载力不受稳定性约束。两者相减可得：当长细比λ＞18 时，承载力设计值屈曲约束支撑大于普通钢支撑，一般屈曲约束支撑都可以满足。

2.2 延性与滞回性能好

弹性阶段工作时，屈曲约束支撑就如同普通支撑，可为结构提供很大的抗侧刚度；弹塑性阶段工作时，屈曲约束支撑变形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器[4]，两者滞回曲线对比见图2。

图2 屈曲约束支撑与普通支撑滞回曲线对比

3 高层钢框架屈曲约束支撑结构设计

3.1 工程概况

北京世纪坛医院急诊急救综合楼，建筑面积61500m2，其中地上44200mm2，地下17300m2。主体地下3 层，地上12 层，5 层及以下为一底盘，5 层以上分为双塔。根据建筑功能，本项目不分缝，按大底盘结构设计。上部结构为钢框架+屈曲约束支撑，基础为平板筏基+上柱墩。地震设计参数：场地类别Ⅱ类，设防烈度8 度（0.2g），抗震设防类别乙类，设计地震分组第二组，特征周期0.4s。地上钢材牌号：钢框柱、主梁Q345C，次梁Q345B，支撑Q235B。

3.2 结构超限判别

根据本工程的结构体系及平面布置，判断结构的超限情况见表1。

表1 结构超限判别

结论：根据JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》[5]3.3.2，4a 与4b 同属侧向刚度不规则，不重复计算不规则项，故本工程同时存在2 项不规则情况，属于建筑形体不规则类型，但不属于超限高层建筑。

3.3 性能目标

根据构件的重要性，确定结构构件的抗震性能目标，如表2 所示。

表2 结构构件性能目标

本项目地上主要构件均为钢材，试算发现地上结构难以满足高承载力要求，而延性较好。按GB 50017—2017《钢结构设计标准》[6]17.1，经综合分析比较，主体结构为性能6，乙类设防下对应的结构构件最低延性等级为Ⅰ级，即按高延性、低承载力设计。

3.4 设计流程

1）对无控模型进行小震反应谱法计算，初步确定减震目标，预估阻尼器数量。

初步确定方案，采用盈建科软件1.9.2.0，对世纪坛医院无支撑纯框架结构进行整体计算分析，通过阻尼比试算预估阻尼器数量，地上约100 个。也可按照建筑面积估算屈曲约束支撑数量，按经验平均每500m2设1 个，世纪坛医院地上部分建筑面积约48000m2，需支撑数约96 个。

2）初步设计有控模型，进行小震反应谱法计算。

屈曲约束支撑可选用单斜撑、人字型或V 型支撑，布置时可依照以下原则：（1）地震作用下产生较大支撑内力的部位；（2）地震作用下层间位移较大的楼层；（3）宜沿结构2 个主轴方向分别设置；（4）可采用中心或偏心支撑的布置形式，当采用偏心支撑布置时，设计中应保证支撑先于框架梁屈服。初步选取2 种屈曲约束支撑等效截面 120mm×120mm×40mm×40mm、 120mm×120mm×20mm×20mm，布置完成共108 个。有控模型见图3。

图3 有控结构模型

输入支撑的初始刚度和阻尼，对有控模型进行小震反应谱法计算，查看其层间位移角和位移比。

3）有控模型计算支撑的有效刚度和阻尼。

在盈建科软件“弹性时程分析”模块的“人工波生成”对话框上生成一条和规范谱拟合得非常好的人工波，在“直接积分法时程计算参数”中勾选“计算减隔震元件有效刚度和阻尼”，进行直接积分法时程分析，计算后查看能量曲线和内力滞回曲线，一层支撑滞回曲线见图4。可以看出，小震下BRB 基本处于弹性，无刚度退化，未进入塑性耗能阶段。

4）将有效刚度和阻尼代入支撑，对有控模型再次进行小震反应谱法计算。

图4 小震下支撑内力滞回曲线

勾选设计参数“地震信息”中的“连接单元的有效刚度和阻尼自动采用直接积分法时程计算结果”，软件将上一步得到的支撑有效刚度和阻尼代入模型重新计算，计算完成查看位移角和位移比。在设计结果的“周期振型”中查看计算得出的阻尼比，减去计算参数中全楼阻尼比，即可得到附加阻尼比结果。

5）查看结果并优化得到理想设计方案。

优化支撑截面，最终计算得到4 种屈曲支撑等效截面，截面尺寸及对应BRB 型号见表3。

表3 支撑等效截面尺寸及对应BRB型号

通过对比本项目加设屈曲约束支撑和未设支撑的结构，在2 方案主要指标均满足设计要求的情况下，用钢量对比见表4。

表4 无支撑与有支撑方案用钢量对比

可见，无支撑时梁、柱型钢截面较大，用钢量为5731t，加支撑时用钢量为5429t，用钢量节省302t，约5.6%，且屈曲约束支撑增加了结构的可靠度。综合考虑，采用钢框架-屈曲约束支撑结构优势明显。

6）对特殊构件中大震分析验算。

导入地震波，进行动力弹塑性分析后，得到能量曲线和一层支撑的滞回曲线（见图5、图6）。可以看出，大震下BRB 和主体结构均进入塑性阶段，BRB 耗能作用明显。

图5 大震能量曲线

图6 大震下支撑内力滞回曲线

4 结语

1）本文对高层钢框架-屈曲约束支撑结构的设计流程进行了梳理，流程见图7。

图7 高层钢框架- 屈曲约束支撑结构设计流程图

2）屈曲约束支撑对高层钢框架的抗震性能影响明显，在提高结构抗侧刚度、节省钢材、减轻结构自重、耗散地震能量等方面发挥着重要作用。

3）高层钢框架布置屈曲约束支撑时宜重点考虑层间位移较大及薄弱部位，如低楼层、边跨、梯井等。

4）高层钢框架结构一般侧向刚度较弱，但延性较好，在中高烈度设防区域，选取性能目标时建议采用高延性低承载力设计，通过控制构件截面板件宽厚比提高结构延性。