新型屈曲约束支撑钢框架体系耗能有限元分析

蔡天元，杨艳敏*，谢晓娟，王 鹏，孟祥琨，熊 瑛

（1：吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2：吉林省建筑科学研究设计院，吉林 长春 130011）

0 引言

屈曲约束支撑（BRB）是一种耗能优良的支撑构件，许多工程将支撑运用于框架，组成屈曲约束支撑框架[1]。针对传统屈曲约束支撑自重大、构造复杂与造价高等问题, 笔者提出了一种切削十字型屈曲约束支撑,其填充材料采用轻骨料混凝土,有效降低支撑自重。与传统支撑相比,通过切削工艺,将核心段削薄,节省材料,使支撑的端部和核心部分同时发生破坏。为避免端部过早出现应力集中破坏，在屈曲约束支撑过渡段采用25 °斜坡。且该屈曲约束支撑构造简单,均为地域性材料,减少运输费用及降低成本,制作方便。

本文通过SAP2000 有限元分析软件对某钢框架结构进行多遇地震下时程分析, 通过对比原结构和增设新型屈曲约束支撑结构层间位移角、顶点位移、顶点加速度，研究新型屈曲约束支撑对钢框架结构抗震性能影响。

1 支撑设计

新型切削十字型屈曲约束支撑以轻骨料混凝土（1 650 kg/m3～1 850 kg/m3）作为填充材料，有效降低了自重。角钢采用切削工艺,核心单元由2 根角钢直接对焊设计而成。核心段采用点焊形式，有效减少焊接残余应力。支撑长为1 300 mm，外包钢套管长为950 mm，截面尺寸100 mm×100 mm×2.5 mm，试件尺寸如图1 所示。

图1 BRB 试件尺寸图(mm)

连接段横截面面积分别为耗能段横截面面积的1.5 倍和2.1 倍，确保芯材核心耗能段达到塑性阶段时连接端仍处于弹性阶段。连接段和核心耗能段之间设25 °平缓过渡段[2]，减少截面突变产生的应力集中。在过渡段粘贴泡沫塑料，保证芯材在拉压作用下能够纵向自由伸缩。芯材中段设置限位卡，防止约束单元沿竖向发生刚体位移。限位卡与核心段截面坡角采用16 °进行过渡, 避免此处产生较为严重的集中应力。

2 钢框架设计

设计1 栋5 层钢框架结构模型，通过运用SAP2000 有限元软件，对未加支撑的原结构模型与增设新型屈曲约束支撑的结构模型进行有限元模拟分析，研究新型屈曲约束支撑对框架抗震性能的影响。模型尺寸相同，均为5 层一字型钢框架，各层层高均为4 m，结构总高度为20 m，结构平面图如图2 所示。梁柱均采用Q235H 型钢，连接方式均采用刚性连接，楼板混凝土等级为C30。

主要构件尺寸见表1，设计地震分组为第1 组，场地类别为II 类，结构抗震设防8 度，雪荷载0.40 kN/m2，基本风压0.3 kN/m2，1 层～5 层恒荷载均为5 kN/m2，1 层～4 层活荷载为2 kN/m2，顶层活荷载为0.5 kN/m2。结构立面图如图3 所示。

表1 框架结构尺寸mm

图2 结构平面图（mm）

图3 结构立面图（mm）

3 时程分析

3.1 地震波选取

地震波具有很强的随机性，采用不同的地震波进行分析时，即使在峰值加速度相同，计算结果仍会存在很大偏差。为使计算结果更加合理，要求选取的地震波不少于2 组实际强震记录和1 组人工波[3]，本文共选取3 条地震波用于结构动力分析，分别为2 条天然波Kobe 波（简称KB 波）、WenChuan波（简称WC 波）和1 条人工波LanZhou 波（简称LZ波）。时程分析是更为真实的结构动力分析，并且可以输出地震作用下每一时刻的结构内力及位移响应的全过程[4]。本文通过运用SAP2000 有限元软件在3 种地震波作用下对钢框架结构与支撑框架结构进行多遇地震下时程分析, 通过测量结构层间位移、顶层位移及顶层加速度,研究新型屈曲约束支撑对钢框架结构抗震性能的影响。

3.2 层间位移角

根据《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010（2016 版）[5]要求，在多遇地震下，地震波峰值加速度采用0.07 g/s2。结构在3 种地震波作用下的层间位移角如图4～图6 所示。

由图4～图6 可知,两结构层间位移角曲线发展趋势较为一致，每组地震作用下层间位移角最大值均满足限值要求，层间位移角最大值都出现在结构中间层，支撑-框架结构层间位移角略小于钢框架结构。

图4 KB 波作用下结构层间位移角曲线

图5 WC 波作用下结构层间位移角曲线

图6 LZ 波作用下结构层间位移角曲线

3.3 结构顶点位移

2 条天然波的持时设定为20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趋于0，所以取其前10 s 进行分析。结构在3 种地震波作用下的顶层位移如图7～图9 所示，图中横坐标表示时间，s；纵坐标表示顶层位移，mm。

由图7～图9 可知，两结构在3 种地震波作用下顶点位移曲线发展趋势较为一致，每组地震作用下BRB-KJ 结构顶层位移最大值较KJ 结构均有明显减小，且BRB-KJ 结构顶层位移达到峰值的时间均滞后于KJ 结构。

3.4 结构顶点加速度

2 条天然波的持时设定为20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趋于0，所以取其前10 s 进行分析。结构在3 种地震波作用下的顶层加速度如图10～图12 所示，图中横坐标表示震动持续时间，s；纵坐标表示结构顶层加速度，g。

由图10～图12 可知，两结构在3 种地震波作用下顶点加速度发展趋势较为一致，每组地震作用下BRB-KJ 结构顶点加速度最大值较KJ 结构均有明显减小，且BRB-KJ 结构顶点加速度达到峰值的时间均滞后于KJ 结构。

图7 KB 波作用下结构顶层位移时程曲线

图8 WC 波作用下结构顶层位移时程曲线

图9 LZ 波作用下结构顶层位移时程曲线

图10 KB 波作用下结构顶层加速度时程曲线

图11 WC 波作用下结构顶层加速度时程曲线

图12 LZ 波作用下结构顶层加速度时程曲线

4 结论

本文运用SAP2000 有限元软件在多遇地震作用下进行抗震性能分析，研究切削型屈曲约束支撑对钢框架抗震性能的影响，得出以下结论。

1）结构均在中间层出现最大层间位移角，支撑-钢框架结构最大层间位移角为0.01，小于钢框架结构最大层间位移角0.016，可见增加新型屈曲约束支撑能有效提高结构刚度。

2）支撑-钢框架结构中的顶层位移和顶层加速度达到峰值的时间大多都滞后于钢框架结构，并且前者顶层位移和顶层加速度较钢框架结构减小35.8%和43.7%，说明屈曲约束支撑可以有效减小动力响应，起到耗能减震的作用。

3）加设新型屈曲约束支撑钢框架结构在WenChuan 波下顶点位移、顶点加速度等抗震参数较原钢框架结构减少最明显，可见新型屈曲约束支撑在WenChuan 波能可发挥最大作用。

4）切削十字型屈曲约束支撑采用轻骨料混凝土为填充材料，有效降低了自重，且造价低廉，构造简单，可应用于实际工程。