屈曲约束支撑在钢筋混凝土框架结构中的应用研究

田欢

中国中元国际工程有限公司 北京 100089

引言

屈曲约束支撑是一种有效的耗能减震构件，它主要由耗能内芯和外围约束构件两部分组成，其力学性能由内芯的材质和截面面积决定。屈曲约束支撑可以为结构提供必要的抗侧刚度，又可为结构提供附加阻尼，有效减小结构在地震作用下的响应。与传统普通钢支撑相比，屈曲约束支撑不容易发生失稳破坏，在受拉和受压时性能一致[1]。此外，屈曲约束支撑有延性性能好，耗能能力优良，施工速度快，质量可靠等优点。

规范规定医院、幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂为重点设防类建筑，安全等级为一级[3]，因此设计时要提高结构的安全储备，提高结构的抗震性能。

本文以某高烈度区医院为例，通过设置屈曲约束支撑来提高结构的抗震性能。基于ABAQUS软件建立带有屈曲约束支撑的减震结构模型，进行结构模态分析和动力弹塑性时程分析，研究结构的动力特性和减震效果。

1 工程概况

图1给出了某工程设置屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架有限元模型，共4层，长度为85.8m，宽度为78.04m，高度为21.4m。场地设防烈度为8度0.3g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。

图1 结构有限元模型

对减震结构进行反应谱分析，求出两个方向每个支撑轴力的最大值，最终取小震下支撑力的1.5倍为支撑的屈服承载力。经过反复试算，优化设计，取屈曲约束支撑的屈服承载力为2500kN。屈曲约束支撑在小震下不屈服，为结构提供刚度，中、大震下屈服耗能，减小主体结构的响应。

2 模态分析

在ABAQUS软件中建立减震结构的有限元模型进行模态分析。表1给出结构前3阶振型的自振周期，前三阶振型图详见图2-图4，由计算结果可知，结构两个主轴方向平动周期接近，两个方向刚度接近，设计合理，结构各项指标满足规范要求。

表1 结构自振周期

图2 第一振型图

图3 第二振型图

图4 第三振型图

3 罕遇地震下结构弹塑性时程分析

基于ABAQUS软件对减震结构进行弹塑性时程分析，根据《建筑抗震设计规范[4]》要求，选用的地震波为与此场地相应的一组人工波和两组天然波，如图5-图7所示。各条地震波作用下结构的层间位移角见表2。

表2 弹塑性层间位移角

图5 人工波加速度记录时程

图6 天然波1加速度记录时程

图7 天然波2加速度记录时程

从表中可以看出，三组波作用下：

弹塑性层间位移角的最大值为1/64，小于规范位移限值1/50的要求。

4 构件损伤分析

框架柱、框架梁的损伤程度基于混凝土压应变和钢筋的拉应变来判断，本文定义构件损伤阶段如下所示。

当构件的变形位于弹性位移和屈服位移之间时，为轻微损伤。

当构件的变形位于屈服位移和近似极限荷载对应的位移之间时，为中度损伤。

当构件变形位于弹塑性变形限值的一半和90%的弹塑性变形限值之间时，为较严重损伤。

大于90%的弹塑性变形限值时，构件严重损坏。

对减震结构进行罕遇地震下弹塑性时程分析，图8-图10给出的是天然波1作用下结构构件的破坏情况。

图8 天然波1作用下X=99.6m一榀框架损伤情况

图9 天然波1作用下Y=46.8m一榀框架损伤情况

图10 天然波1作用下Y=54.6m一榀框架损伤情况

从图中可以看出，采用屈曲约束支撑后，大部分构件达到中度损伤阶段，损伤程度较小。

框架柱的损伤程度高于梁，较严重破坏的柱主要集中在底层。

罕遇地震下屈曲约束支撑起到了很好的耗能作用，减小主体结构的地震响应，使设计更容易满足规范要求。

5 结束语

本文以某高烈度地区医院项目为例，分析钢筋混凝土框架结构采用屈曲约束支撑后结构的动力特性及减震效果，基于通用有限元软件ABAQUS进行了罕遇地震下动力弹塑性时程分析。通过本文的研究分析可以得到如下结论：

通过合理的布置屈曲约束支撑，可以使结构两个主轴方向刚度接近，减小扭转对结构的不利影响。

罕遇地震下结构的最大层间位移角为1/64，未超过1/50，满足规范要求。

罕遇地震下结构大部分构件达到中等损伤阶段，较少损伤较严重的部位主要集中在底层柱两端，设计时底层框架柱应采取加强措施。

本文以高烈度区钢筋混凝土框架结构设置屈曲约束支撑为例，通过罕遇地震下的分析，验证了屈曲约束支撑的可行性和有效性，设置屈曲约束支撑能够减小框架柱、框架梁的截面尺寸，使设计更容易满足规范各项指标的要求，同时提高结构的抗震性能。