浅谈屈曲约束支撑在工程实际中的应用

郭晓丽GUO Xiao-li

（河南省建筑设计研究院有限公司，郑州450000）

1 工程概况

河南省郑州市某银行营运生产用房建设项目为地下二层，地上十层，结构形式为设置有屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架结构，屋面结构标高为42.600m。抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度为0.15g，场地土类别为三类，建筑抗震等级为二级。

2 结构布置

地下及地上均为普通梁板结构，其中在楼、电梯间等对建筑影响较小的位置设置的屈曲约束支撑（简称BRB）。

3 结构分析

3.1 性能目标要求

本工程属于丙类建筑，具体设计指标和不同抗震水准下结构性能目标细化详见表1。

表1 结构性能目标

3.2 计算分析

3.2.1 本工程是钢筋混凝土框架结构，使用有限元分析软件ETABS 建立结构模型，并进行计算与分析

为了校核所建立的结构模型的准确性，将ETABS 和PKPM 建立的非减震结构模型计算得到的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角进行对比，如表2、表3、表4 所示。表中差值为：（|ETABSPKPM|/PKPM）*100%。

表2 结构质量对比单位结构质量对比 单位：Ton

表3 结构周期对比（前三阶） 单位：s

表4 基底剪力对比 单位：kN

综合以上各表可知，用于本工程减震分析计算的ETABS 模型与PKPM 模型，在结构质量、周期和基底剪力方面的差异很小，因此，两模型基本上是一致的。

3.2.2 采用时程分析法时，选取了实际2 条强震记录（T1、T2）和1 条人工模拟（R1）加速度时程曲线

3.2.3 在ETABS 分析中，弹性时程分析只考虑阻尼器的非线性、结构本身假设为线性

小震下减震结构最大层间位移角X 向为1/906，Y 向为1/807，均小于规范限值1/550，满足要求。小震下阻尼器性能，提取其中单个阻尼器的内力—变形曲线，以查看阻尼器在小震作用下的滞回性能，以kN，mm 为单位，见图1。由阻尼器参数及阻尼器出力情况可知，小震作用下，所有的阻尼器均未发生屈服，还处于弹性状态。

图1 屈曲约束支撑的滞回曲线

3.2.4 大震弹塑性时程分析

3.2.4.1 整体指标

根据规范要求，大震下的计算结果取三条地震波的包络值，由计算可知结构X 向的最大层间角为1/157（如图2），Y 向的最大层间角为1/146（如图3），均小于规范限值1/50，满足要求。

图2 X 向楼层层间位移角

图3 Y 向楼层层间位移角

3.2.4.2 结构在大震弹塑性分析中的最终出铰状态

大震时框架梁屈服状态达到B，即轻微屈服，在该情况绝大部分框架柱仍有较好弹性，塑性铰出现于框架梁两边，同时其损伤要高于前者，这满足“强柱弱梁”抗震规范，损伤机制合理。

1.23 排除标准 ①慢性胰腺炎患者；②入院前30 d内接受过生长抑素治疗者；③伴有心、肝、肾等脏器功能严重障碍者；④对本研究药物过敏者。

3.2.4.3 大震阻尼器性能

提取阻尼器的内力和位移，可以看出，绝大部分BRB在大震作用下均屈服耗能（见图4）。

图4 屈曲约束支撑的滞回曲线

3.2.5 阻尼器子结构承载力验算

与支撑相连接的框架梁均设置自动M3 铰，与支撑相连接的框架柱均设置P-M2-M3 纤维铰，以考察各消能子框架在大震作用下的性能水平是否能达到既定的性能目标。为确保消能子结构能充分发挥作用，《建筑消能减震技术规程》和《建筑消能减震应用技术规程》中对子结构的设计均提出一定的要求：消能子结构中梁、柱和墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。图5 为构件承载力与变形曲线，由图可知，C 点对应的是构件的最大承载力，若软件中构件的塑性铰状态超过C 点则认为构件的地震效应超过其极限承载力，则不满足设计要求，否则反之。根据各消能子框架在RG1 波、TH1 波、TH2 波最后一步的出铰情况，可以看出，在大震作用下与支撑相连接的框架梁柱均处于B 状态，未及C 状态，表明在大震作用下与支撑相连接的框架梁柱受力均小于构件极限承载力。

图5 承载力与变形曲线

3.2.6 附加阻尼比计算

3.3 计算结论

本报告对结构整体模型进行弹性和弹塑性时程分析，主要结果总结如下：

①多遇地震下，采用屈曲约束支撑（BRB），可以提供刚度，结构X 向和Y 向最大位移角分别为1/906、1/807，满足规范要求。

②罕遇地震下，结构X 向和Y 方向最大位移角分别为1/157、1/146，满足规范要求；框架梁产生塑性铰，少量底层框架柱产生塑性铰，整体结构损伤机制合理，满足强柱弱梁的目标。屈曲约束支撑大震下大部分屈服，发生塑性变形，其滞回曲线饱满，耗散了大量地震作用，保护主体结构。罕遇地震下，子结构内力小于极限承载力，满足子结构设计的性能目标。

4 有屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架结构

①相比于其他抗侧力构件，它不仅具有着较低成本优点，同时也可以很好地增强项目整体结构承载及刚度，另外不会对内部采光、空间分割等造成不便。从实际来看，屈曲约束支撑（简称BRB）主要是由芯材、套筒内无粘结材和外套筒所构成。目前这一类型支撑有着较多的形式，然后其原理大同小异，即借助于外套筒强刚度来防止中心芯板出现屈曲。BRB 内部为芯材，通常外部罩着钢套管并在腔内填充入具有一定强度和密实性的材料。如此结构能够保证芯材不论是受压或者受拉中均可以实现屈服。另外，出于降低芯材受轴力作用而传导到填充材料导致后者产生泊松效应，继而造成前者出现膨胀现象，因而芯材与砂浆二者中间要设置十分小的空气层（或者是无粘结材料）。在欧美等国家屈曲约束支撑有着较为广泛地应用，目前我国正在逐步推广该体系，并从实际项目情况来看效果还不错。与常规钢支撑相对比，屈曲约束支撑不仅没有失稳破坏情况，并且还可以确保钢支撑受压受拉性能同样，这对于提升钢材利用率大有帮助。另外，该支撑可以作为项目结构耗能原件，这可以起到保险作用。最后，该支撑还具有耗能高、结构延性佳，施工方便简便效率快等优点。

②屈曲约束支撑的主要应用形式有一字型、V 字型、人字型，可以结合建筑的功能灵活布置在合适的位置。本项目的支撑形式主要采用的是一字型斜撑和人字型支撑。

③屈曲约束支撑布置的对应位置均为楼、电梯间、卫生间等对建筑功能及方案效果影响较小的地方，且根据对应位置建筑功能可灵活选择合适的支撑布置形式。一方面利用支撑在小震下为结构主体提供刚度，以减小结构构件的截面尺寸；另一方面利用支撑在大震下的耗能功能实现规范所要求的三水准设防目标，符合国家关于消能减震的发展理念。

5 采用常规结构设计对比

①项目结构特点：该项目为回字形建筑，平面及竖向均有不规则内容：平面：a、中心部位楼板开洞，b、二层平面有较深凹槽，c、楼、电梯间均在房屋左侧角部位置，d、边跨框架柱在水平及垂直方向有角度（形成近似平行四边形），e、在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件层间位移的最大值与平均值的比值大于1.2；竖向：a、竖向收进（有两层裙房）。

②框架结构：在进行结构整体指标分析时，层间位移角如果控制在规范允许的范围之内（小于1/550），需要建筑物周边框架柱截面控制在1400×1400mm，梁截面控制在600×800mm，影响建筑楼、电梯间的空间使用，房间内大尺寸框架柱同样影响房间的功能，极大的限制了建筑方案的实现，甚至需要对方案进行修改。

③框架-剪力墙结构：由于建筑方案对房间使用功能及布局均要求较高，造成剪力墙上下无法对应，很大程度上限制了结构剪力墙的布置，在有限的空间布置上，剪力墙的厚度较大，相应的剪压比超限问题、及剪力墙周边框架柱配筋超限较难以解决，且由于地下室车位及其他功能限制，地上的剪力墙无法落地，造成在地下室顶板出现转换，造成成本的相应增加。

④设置普通钢支撑的框架结构：采用普通支撑进行设计时，小震下有个别普通支撑出现了稳定性问题，中大震下普通支撑稳定性问题更为突出，这样整个结构在中大震下性能会大打折扣。而按照同时满足刚度和承载力的准则将普通支撑替换成屈曲约束支撑。屈曲约束支撑如前所述，不存在稳定性问题，其在受拉受压时性能一致。故将普通支撑替换成屈曲约束支撑后，结构在小中大震下不存在稳定性问题，且屈曲约束支撑在中大震作用下开始屈服耗能，成为结构的第一道防线，起到保护主体结构的作用，结构的抗震性能会得到显著提高。

6 经济性、适用性分析

①通过现浇混凝土框架结构与设置有屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架结构进行简单的经济对比，设置支撑后框架柱、框架梁截面尺寸均有减小，根据目前市场上的综合造价，一立方混凝土费用约1500-2000 元（其中包含钢筋、人工、措施费等综合费用，按郑州目前市场价取费）。目前屈曲约束支撑生产厂家相对增多，市场价格趋于稳定，经和多个厂家了解价格，支撑价格约为1-3 万（具体价格与支撑承载力及尺寸有关），本项目设置支撑与传统框架结构相比较，成本基本持平。

②传统框架结构，框架柱梁截面均较大，一方面不利于建筑功能的实现；另一方面甚至因为结构构件的尺寸问题造成建筑方案的退让和修改，改变了方案的设计初衷。设置支撑的框架结构，均设置在楼、电梯间、卫生间等位置，对建筑功能及使用感影响不大，更有利于建筑方案的落地，也更优化建筑空间的使用。

③对于常规高层框架结构，可利用支撑灵活布置的优势，合理利用建筑空间，优化原有结构耗能机制，减少整体结构用钢量，同时在满足结构相关规范的条件下，使得建筑抗震性能得到较大优化与提升，也符合国家鼓励和推行消能减震技术的初衷和要求。

7 结束语

2021 年9 月1 日国家正式颁布实施的《建设工程抗震管理条例》中，对于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的重要建筑、重点设防类建筑均提出采用隔震减震等技术的要求，同时国家鼓励在以上区域以外的建设工程中采用隔震减震等技术，提高抗震性能。减震隔震技术越来越走入设计人员的视野中，但是对于《条例》重点区域范围外的常规公共类建筑，较少采用减震隔震技术。通过上述项目的计算、构造、经济性、适用性等各项分析，不难看出，对于常规办公等公共建筑，屈曲约束支撑由于其设置的灵活性，既能满足结构抗震设计三水准的要求，优化了抗震设计性能，又解决了建筑方案对空间的需求，同时由于屈曲约束支撑的逐渐广泛应用，使其质量及价格趋于稳定，经济性较好，因此，在今后设计中，对于普通抗震设防地区的常规办公建筑可优先考虑屈曲约束支撑的使用。