屈曲约束支撑在某会展中心工程中的应用研究*

张建银，甄 伟，孙硕辉，潘 鹏

(1 中建海峡建设发展有限公司， 福州 350001；2 北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045；3 北京羿射旭科技有限公司， 北京 100050；4 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 北京 100084；5 清华大学城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室， 北京 100084)

1 工程概况

某会展中心工程位于福州市，主要功能包括展览中心、会议中心及配套功能用房。结构整体地下1层，层高6m；地上3层，1～3层层高分别为16，8，8m，1层标高8m处部分区域有夹层；建筑高度约32m，造型屋面顶标高约42m，总建筑面积约11.28万m2。建筑效果图见图1。

结构1层展厅楼面及3层主会议厅屋面均采用大跨度钢桁架，桁架主要跨度为59.5，68m。结构地上部分采用钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系，大跨度楼盖的支承体系采用延性桁架体系,楼盖采用钢梁+混凝土组合楼板体系。

图1 建筑效果图

工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.10g。场地类别为Ⅲ类，设计特征周期为0.65s。原结构阻尼比为4%。

2 结构消能减震设计

工程主体结构体系复杂，结构跨度大、层高大且平面不规则。结构消能减震设计采用屈曲约束支撑作为耗能构件，分别应用在钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系及大跨延性桁架楼盖支承体系中。

2.1 BRB原理及应用

2.1.1 BRB简介

屈曲约束支撑(Buckling restrained brace，简称BRB)是位移型消能器，其在支撑杆件外围设置约束元件，防止支撑杆件受压屈曲，使得支撑具备对称饱满的荷载-位移滞回曲线，如图2所示。屈曲约束支撑主体分为三个部分：内核单元、约束单元和无黏结层[1]，见图3。普通支撑在罕遇地震下容易出现受压屈曲，而BRB在支撑杆件外围设置约束元件，防止支撑杆件受压屈曲，可显著提高支撑自身的耗能能力[2]。在罕遇地震和极罕遇地震情况下，普通钢支撑由于屈曲退出工作，而BRB支撑可以保持稳定的承载力和耗能能力，避免结构倒塌[3-4]。

图2 BRB典型滞回曲线

图3 BRB内部构造示意

2.1.2 BRB在框架中的应用

屈曲约束支撑是目前实际工程中应用最为广泛的消能器之一[1]，作为近些年兴起的一种新型高性能结构，钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系兼备组合框架结构自重小、延性好、经济性好和屈曲约束支撑滞回耗能能力强、抗侧刚度大等优点[5]，其在遭受地震或强风作用时结构整体的变形小，可以满足规范要求，结构更安全舒适[6]。

2.1.3 BRB在桁架中的应用

图4 延性桁架体系

桁架结构代替传统实腹式钢梁，具有跨度大、用钢量低等优点，但普通桁架结构的抗震性能较差，在水平荷载较大时承担剪力的腹杆易发生失稳破坏，导致结构强度和刚度迅速退化，滞回性能不足，延性较差。2014年，Nattapat Wongpakdee等[7]提出将BRB作为端部下弦杆耗能，见图4。理论研究表明，将BRB作为端部下弦杆，可以改善结构的抗震性能。

本工程采用大跨延性桁架体系，将桁架端部下弦杆替换为BRB，设计模型见图5。通过消能减震设计确定BRB的屈服荷载，使BRB先于其他杆件进入屈服状态，将塑性变形限制在BRB区段，这不仅增大了桁架的延性和耗能能力，也降低了桁架的刚度，增加了结构阻尼，使桁架其他构件保持弹性工作状态，从而大大提高桁架结构的抗震性能[8]。

图5 大跨延性桁架体系

2.2 BRB布置方案

BRB主要布置在结构的框架及大跨钢桁架两个部位，具体如下。

2.2.1 框架BRB布置方案

本工程大空间区域抗侧刚度较小，通过在大空间区域周围设置BRB改善刚度不均匀性，控制结构的扭转效应，为保证结构安全性，考虑多遇地震作用下BRB不屈服，仅提供刚度；罕遇地震作用下BRB屈服，发挥一定的耗能作用。BRB的吨位即屈服荷载决定了BRB芯材截面的大小和BRB能提供的刚度大小[2]，根据原结构的层间位移角和位移比，综合考虑建筑布置条件及加工采购方便，本工程使用两种吨位的BRB，屈服荷载分别为2 650，3 650kN。

在框架部位共设置82根BRB，其中，X向布置50根，Y向布置32根。支撑形式为对角支撑，框架部位BRB典型布置见图6，BRB性能参数见表1。

框架部位BRB性能参数 表1

图6 框架部位BRB典型布置

图7 桁架部位BRB典型布置

图8 地震波加速度时程曲线

2.2.2 桁架BRB布置方案

桁架部位BRB根据施工安装次序分为两种。1)先装：BRB与桁架其他非耗能构件同步安装，承担结构恒载及活载；2)后装：BRB待结构主体施工完工后再安装，仅承担安装后新增的活载和地震作用。

在水平地震作用下，各楼层桁架承受的层间剪力不相等，为使各层的消能段同步屈服，实现结构设计经济合理，需要设计多种消能段长度，使用多种规格的BRB，同时考虑到桁架端部BRB会对框架柱产生一定的水平作用力，BRB吨位不宜过大。

在SAP2000软件中使用WEN 塑性连接单元模拟BRB，设置施工次序，对结构进行多遇地震时程分析，提取连接单元内力组合值取包络，并适当放大1.2倍左右，设计BRB的屈服荷载；提取连接单元的位移，保证BRB屈服位移(一般取消能段长度1/1 000)大于提取的单元位移。正常使用工况下BRB保持弹性，设防地震、罕遇地震作用下BRB先于其他桁架杆件屈服，发挥塑性耗能作用。

结构桁架部位共设置59根BRB，其中1层28根，2层9根，3层22根，桁架部位BRB典型布置见图7，BRB性能参数见表2。

桁架部位BRB性能参数 表2

3 结构弹塑性时程分析

对罕遇地震作用下结构的非线性反应进行计算与分析，在此基础上对结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行评价，以论证结构能够达到预定抗震性能目标。采用SAP2000软件对整体结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，考察结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况，介绍罕遇地震作用下结构的整体耗能情况。

3.1 地震波选取

时程分析选取了3组地震波，包括1组人工波，2组天然波，地震波时程曲线及各波反应谱对比见图8，9。地震波的输入方向，依次选取结构X向或Y向作为主方向，相应的另一方向Y向或X向则为次方向，分别输入地震波的两个分量记录进行计算，主方向、次方向输入地震的加速度峰值按1∶0.85进行调整，加速度峰值调至220gal。

3.2 结构抗震性能评价

从结构弹塑性层间位移角、顶层位移、塑性发展过程和塑性发展的区域及深度来评估结构整体抗震性能，考察结构的整体耗能情况。

3.2.1 结构位移响应

设置了BRB后，结构主体顶层位移峰值显著降低，结构层间位移角约减小30%。设置消能器前后结构位移响应包络值对比见图10。

图10 结构位移响应包络值对比

图11 塑性铰横向荷载-变形曲线

图12 框架的损伤发展顺序及屈服状态

设置BRB的结构在罕遇地震下动力弹塑性分析的位移响应汇总见表3。从表3可知，罕遇地震动力弹塑性分析得到的结构两方向最大层间位移角远小于规范要求的结构弹塑性层间位移角限值。

结构位移响应 表3

图9 各波反应谱对比

3.2.2 构件变形与损伤

采用SAP2000软件，对结构的破坏形态进行分析，主要观察结构的塑性铰数量、分布和破坏程度等。模型塑性铰定义如下，框架柱采用PMM铰，该铰综合考虑了轴力和两个方向的弯矩作用，框架梁采用M3铰，该铰忽略了轴力的作用[9]，桁架杆件采用P铰，该铰仅考虑轴力作用。塑性铰横向荷载-变形曲线见图11，点B代表铰的屈服，当铰到达点C时开始失去承载力。点IO、点LS和点CP代表铰的能力水平，分别对应于直接使用、生命安全和防止倒塌。

(1)框架部位构件变形与损伤

以天然波2沿Y向输入为例，分析设置BRB结构框架在罕遇地震作用下结构构件的变形形态和损伤情况。图12列出了结构框架在天然波2输入的第5，10，15s时的屈服状态。

由图12可知，在天然波2输入过程中，结构的破坏形态为：首先结构次梁出现塑性铰，次梁损伤不断增加；其次结构少部分框架梁进入塑性阶段并参与结构整体塑性耗能；最终个别框架柱底部进入塑性阶段；出铰构件塑性铰深度均处于IO状态，均未达到导致结构倒塌或者影响生命安全的程度。

(2)桁架部位构件变形与损伤

以天然波2沿X，Y向输入为例，分析结构3层典型大跨桁架构件在罕遇地震作用下的变形形态和损伤情况，示例桁架所在位置及构件屈服状态见图13。示例桁架端部BRB编号见图7，BRB单元出力及位移统计见表4。

图13 示例桁架所在位置及构件屈服状态

示例桁架BRB单元出力及位移统计 表4

由图13及表4可知，在罕遇地震作用下，桁架端部BRB单元出力均大于屈服荷载，说明BRB均进入屈服状态；桁架其余构件均未出铰，保持弹性。通过设计桁架端部BRB的屈服荷载，有效控制了桁架对框架柱的水平作用力。

3.2.3 结构整体耗能情况

图14 结构能量耗散分布

以天然波2沿Y向输入为例，罕遇地震作用下结构整体耗能情况见图14，可知BRB滞回耗能约占输入能量的30%。

滞回曲线反映了结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗。框架部位和桁架部位BRB典型滞回曲线见图15。可知BRB较早进入屈服耗能阶段，滞回曲线较为饱满。

图15 BRB典型滞回曲线

4 结论

本文主要介绍了BRB在结构框架及桁架两个部位的应用，通过有限元分析重点考察了罕遇地震作用下结构及BRB的性能，分析结果表明：

(1)结构在罕遇地震作用下，结构层间位移角满足抗震规范要求，结构主要抗侧力构件没有发生破坏，少部分框架梁参与塑性耗能，但不至于引起局部倒塌和危及结构整体安全，弹塑性反应及破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求，抗震性能能够达到“大震不倒”的抗震性能目标。

(2)BRB增加了结构抗侧刚度，降低了结构的位移响应；在罕遇地震作用下，BRB滞回曲线饱满，耗能效果显著，提高了结构的整体抗震性能。

(3)大跨延性桁架体系经济性良好，抗震性能优越，值得同类工程参考应用。使用BRB替代桁架杆件，可以充分利用BRB的拉压等强的性能，减小杆件截面。BRB可先于其他杆件进入屈服耗能阶段，有效地将塑性变形限制在BRB区段，从而增加桁架结构的延性和耗能能力，提高桁架的抗震性能；同时控制桁架对框架柱的水平作用力，保证框架柱的安全。