高烈度区高层钢结构消能减震设计分析*

孙柏锋，米俊丞，马 俊

云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650238

消能减震技术是在结构中某些相对变形较大的部位安装消能装置或者将某些非承重构件设计成消能构件，通过消能装置或消能构件大量消耗地震输入能量，达到减震目的。相对于传统抗震结构，消能减震结构抗震性能要优于前者。传统抗震结构的消能构件就是主体结构构件本身，如框架结构中的框架柱、框架梁。由于地震的随机性和结构在设计、计算和施工方面的误差，结构在地震中的破坏位置和破坏程度通常难以精确控制。特别在罕遇地震下，难以确保承重结构构件的安全。当主体结构遭受地震作用而使结构变形超过一定的范围时，塑性变形集中出现在“可牺牲”构件，“可牺牲”构件可以随时更换。建筑结构损伤控制设计中通过减震装置耗散地震输入能量以减小地震作用是必不可少的，其中减震装置即是“可牺牲”构件，减震装置损伤后易于更换。屈曲约束支撑即是一种“可牺牲”构件。

1 工程概况

案例项目位于云南省楚雄市，地上层数4层，地下室为2层，总高度为29.65m。地下负2层为车库，地下负1层为超市，地上1～3层为商业，4层为电影院，屋顶为种植屋面。楚雄市抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第三组，场地类别II类，场地特征周期为0.45s，采用钢框架结构体系。该工程设防烈度较高，且设防类别为重点设防类（乙类），应采取有效措施来提高结构的抗倒塌性能，并结合该工程实际情况采用屈曲约束支撑的消能减震设计。

2 消能减震方案

2.1 消能减震技术选择

钢框架结构和钢框架-支撑结构在高层建筑中的应用十分广泛，但纯钢框架结构的抗侧刚度有限，在地震作用下侧向位移较大，限制了其使用高度。钢框架-支撑结构在一定程度上解决了上述问题，但钢支撑受压时易产生屈曲，造成支撑本身及其连接构件的破坏或失效，支撑屈曲后的滞回耗能能力变差，结构抗震性能降低。屈曲约束支撑（BRB）是由芯材、外套筒及套筒内无黏结材料组成。支撑的中心是芯材，外套筒限制中心芯板的屈曲，在受拉和受压时都能达到屈服。由于克服了传统支撑受压发生屈曲的特点，屈曲约束支撑在弹性阶段是强度较高的斜撑构件，在核心构件屈服后又是一种性能优越的消能组件，能有效吸收地震产生的能量。

2.2 屈曲约束支撑设计内容

屈曲约束支撑利用芯材的屈服变形滞回耗能来吸收地震能量，属位移型消能器，设计内容主要包括确定YJK软件中BRB的等代支撑刚度、参数和数量及安装位置型式；多遇地震作用下，对结构进行动力弹性时程分析，复核小震下计算指标；罕遇地震作用下，对结构进行动力弹塑性时程分析，验算结构弹塑性位移，调整验算中承载力不满足要求的构件。

2.3 结构减震目标和性能目标

该工程在多遇地震、罕遇地震作用下的主体结构及消能减震构件性能目标如表1所示。

表1 结构性能目标

3 消能减震分析

3.1 屈曲约束支撑布置方案

屈曲约束支撑是通过杆件屈服变形吸收能量来达到消能减震效果的，应优先考虑布置在轴向变形较大或相对位移较大的位置。要特别注意避免布置位置造成结构不对称进而产生的扭转破坏。屈曲约束支撑的布置位置应遵循对称、均匀、周边、分散的原则。该工程的屈曲约束支撑主要布置在四个角部，同时竖向1～4层连续布置，避免刚度削弱或突变形成薄弱部位具体，如图1所示。该工程共66个屈曲约束支撑，屈曲约束支撑型号包括BRB1～BRB9共9种，支撑屈服力分别为1200kN、1500kN、1600kN、1800kN、2200kN。

图1 屈曲约束支撑平面布置图

3.2 小震弹性时程分析

该工程采用SAP2000软件进行计算与分析，屈曲约束支撑采用非线性单元模拟。通过对减震结构进行弹性时程分析，查看屈曲约束支撑在小震下的受力情况，复核结构小震下的层间位移角。弹性时程分析时，选取了5条天然波和2条人工波，7条地震波均满足规范的相关要求如特征周期、加速度峰值、持时等。其中人工波按Ⅱ类场地第3组（0.45s）合成，天然波均取自Ⅱ类场地上的实际记录。计算结果表明，在多遇地震作用下支撑的受力均小于屈服承载力，支撑均保持弹性仅提供刚度。X向位移角为1/603，Y向位移角为1/589，实现预定的结构性能目标。

3.3 大震弹塑性时程分析

对非减震结构和减震结构分别进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。弹塑性时程分析过程考虑材料非线性，采用小变形假定，不考虑几何非线性，采用Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法。大震下峰值加速度取400cm/s2。选取小震分析中的3条时程曲线进行大震动力弹塑性时程分析。

（1）弹塑性层间位移角。在罕遇地震作用下，对比减震结构与非减震结构层间位移角，减震结构最大位移角包络值X向为1/105，Y向为1/98；非减震结构X向位移角为1/74，Y向位移角为1/72。结果表明，罕遇地震下减震结构的层间位移角与非减震结构层间位移角之比X向为70.5%，Y方向为73.5%，极大地提高了结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

（2）塑性铰分布。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）的相关要求，为了保证“大震不倒”，结构必须具有合理的耗能机制，大震下允许部分结构构件进入塑性，屈曲约束支撑充分耗能，有效降低主体结构构件的损伤程度。结果表明，采用屈曲约束支撑的消能减震技术后，结构仅有少量框架梁进入塑性，且各主要构件的性能均满足预定抗震性能要求。

（3）减震器在大震下的出力及位移。减震器在大震下的最大出力及位移汇总表如表2所示，从表2中可以看出，屈曲约束支撑均进入塑性耗能，滞回曲线饱满耗能充分，从而减少了主体结构构件的损伤。

表2 减震器在大震下的最大出力及位移汇总表

4 结论

文章通过对工程实例进行研究及分析，得到了如下结论：（1）BRB在受压时不会出现压曲破坏，承载力比普通支撑有较大提高，能满足减小构件尺寸的要求，能以小的代价实现安全目标；（2）小震下BRB可增加结构刚度，使结构层间位移角满足规范要求，进而满足小震不坏的设防目标；（3）大震下BRB作为第一道抗震防线首先屈服耗能，减小了主体结构构件的损伤，BRB屈服后能保证稳定的承载力、延性，在刚度有限增加的前提下实现延性破坏的模式；（4）BRB布置在建筑外围，能够增加结构的抗扭刚度，使结构能较好地满足扭转位移比和周期比要求。