框架-支撑芯筒结构体系的耗能机制研究

傅大宝

（1.中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080；2.中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080；3.福州市规划设计研究院集团有限公司，福州 350108）

0 引言

框架-核心筒结构是目前高层建筑常用的一种双重抗震结构体系。核心筒是体系的第一道防线，刚度较大，承担体系绝大部分的水平剪力；外框架是第二道抗震防线，能够在设防地震或罕遇地震作用下承担核心筒墙肢屈服后传递来的剪力。而核心筒的连梁是结构体系第一道附加抗震防线［1］。实践表明，连梁对框架-核心筒结构的抗震性能有显著影响［2］。在实际工程设计中，由于连梁跨高比小，失效模式多为脆性的剪切破坏，耗能能力有限。为提高连梁的耗能能力，国内外学者做了许多改进工作，如双连梁、宽连梁、设置交叉暗撑、梁中设缝等［3-6］。近年来，一些学者提出设置耗能元件提高连梁耗能能力。Fortney等［7］提出可更换的连梁，通过合理设置消能段，使连梁的塑性变形和损伤集中在消能梁段。同济大学吕西林教授［8］通过振动台试验研究设置可更换梁和普通梁的两个双筒混凝土结构模型的振动特性和动力反应，结果表明，可更换连梁能够将损伤集中可更换构件上，保证连梁混凝土部分完好。潘超和翁大根［9］通过在连梁跨中开缝，缝中设置钢阻尼器来耗散地震能量。然而，在框架-核心筒结构体系下，无论采用普通钢筋混凝土连梁还是耗能连梁，连梁的跨高比均较小（通常小于2.5），截面抗剪承载力限制了连梁的耗能能力。

框架-支撑芯筒结构是指采用支撑芯筒代替框架-核心筒的钢筋混凝土核心筒所形成的一种结构体系。支撑芯筒是由内框架柱、内框架梁和支撑组成。与传统框架-核心筒结构相比，框架-支撑芯筒取消了连梁的设置，避免出现延性较差的剪切破坏。目前，国内一些实际工程已采用框架-支撑芯筒结构，如福建闽投营运中心等［10-11］。然而现有文献对框架-支撑芯筒的研究相对较少，特别是高烈度地震区的结构耗能机制。为此，本文对框架-支撑芯筒结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，探讨框架-支撑芯筒结构的耗能机制，并与框架-核心筒结构进行对比，同时采用屈曲约束支撑（Buckling Restrained Brace，BRB）代替框架-支撑芯筒结构的钢支撑，研究BRB的耗能能力。

1 结构模型设计

对某一实际工程进行简化，设计了1个框架-支撑芯筒结构（简称“模型A”）和1个框架-核心筒结构（简称“模型B”）。结构共40层，层高均4 m，总高160 m。模型A标准层平面和支撑立面布置如图1所示，构件尺寸如表1所示。楼板厚为120 mm。支撑芯筒的钢支撑两端设置为铰接。内、外框架柱承担轴力较大，由于轴压比限制，故设计为方钢管混凝土柱。钢材强度等级为Q420，构件纵筋及箍筋的强度等级分别为HRB400和HPB300。柱、墙混凝土强度等级：1～10层为C80，11～20层为C70，21～40层为C60。梁、板混凝土强度等级为C60。楼面恒载5 kN/m2（含楼层自重），活载2.5 kN/m2。结构抗震设计参数：设防烈度8度（0.2g），场地类别Ⅱ类，地震分组为第一组，场地土特征周期为0.35 s。

图1 框架-支撑芯筒结构模型Fig.1 Frame braces-tube structure model

采用盈建科软件进行结构设计。为便于比较，对2个模型进行优化（表1中构件尺寸均为优化后结果），使模型在满足现行设计规范的基础上，尽可能减少耗材。结构层间位移角和构件轴压比是结构抗震设计的两项重要控制指标。在结构优化过程中，要求层间位移角和轴压比接近规范限值。框架-支撑芯筒结构的层间位移角参照GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》中框架-支撑结构的限值（1/300）。

表1 结构构件尺寸Table 1 Structural components size mm

根据计算结果，框架-核心筒结构的最大层间位移角为1/748，接近规范限值1/750；剪力墙最大轴压比为0.58，接近规范限值0.60。框架-支撑芯筒结构的最大层间位移角为1/579，虽然与框架-支撑结构层间位移角限制存在一定差距，但此时层间位移角进一步降低，会使得钢支撑在弹性阶段出现屈曲；钢管混凝土柱最大轴压比为0.70，接近规范限值0.70。因此，认为两个模型已达到较优的设计结果。

表2为结构设计结果。从表中可以看出，框架-支撑芯筒的用钢量比框架-核心筒结构高61.6%，混凝土比框架-核心筒结构低76.1%。总体上看，框架-支撑芯筒结构消耗材料与框架-核心筒结构相当。此外，框架-支撑芯筒结构的基本周期低于框架-核心筒结构，弹性抗侧刚度高于框架-核心筒结构。表中弹性抗侧刚度为倒三角横向荷载作用下基底剪力与顶面水平位移的比值。

表2 结构设计结果Table 2 Structure design results

建立结构的数值计算模型。建模过程中框架梁和连梁单元采用集中铰模型。框架梁两端设置弯矩铰；连梁两端设置弯矩铰，中间设置剪切铰。柱和剪力墙采用纤维束模型。钢筋本构关系采用理想弹塑性模型，混凝土本构关系采用Mander模型。结构采用瑞利阻尼，将0.2倍和0.9倍第一周期对应的阻尼比设为4%。选取7条地震波进行结构罕遇地震下的弹塑性时程分析。时程分析所用的地震波加速度峰值为400 cm/s2。地震波反应谱曲线与规范反应谱的对比如图2所示。地震波符合JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的选波要求。

图2 地震波加速度反应谱曲线Fig.2 Acceleration response spectra of seismic waves

2 耗能机制分析

2.1 结构的耗能分析

表3为7条地震波作用下结构各类构件的耗能平均值分布情况。从表中可以看出，模型A和模型B的构件塑性耗能与总输入能量的比值均在30%左右。进一步比较各类构件的耗能发现，框架-支撑芯筒结构（即模型A）的外框架柱、外框架梁和钢支撑的构件塑性耗能各约占1/3，耗能占比相当；而框架-核心筒结构的核心筒耗能占结构的97.5%以上，其中连梁耗能占88.2%，可见，框架-核心筒结构的连梁起到了很好的耗能作用，而框架-支撑芯筒结构的构件塑性耗能较分散。

表3 结构弹塑性耗能Table 3 Structural inelastic energy dissipation

分析原因，框架-支撑芯筒结构的钢支撑主要按照轴心受压稳定进行弹性阶段设计，在弹塑性阶段，虽然钢支撑的长细比较大，受压发生屈曲，但受拉仍然保持弹性，使得钢支撑只能利用受压屈曲进行塑性耗能，整体塑性耗能能力有限。

2.2 构件损伤情况

采用塑性铰变形角反映构件损伤程度。在罕遇地震作用下，两个模型的构件均出现了不同程度的破坏，具体表现为：

（1）支撑和连梁的损伤对比：钢支撑是框架-支撑芯筒结构最主要的抗侧力构件，在罕遇地震作用下最先出现损伤。支撑的损伤集中在下部和中上部楼层，其他楼层的支撑保持弹性工作状态。连梁主要用来传递相邻墙肢的剪力，在罕遇地震下连梁最先出现损伤，且大部分的楼层连梁表现为弯曲塑性铰破坏，其中底部楼层连梁传递剪力较大，出现脆性的剪切铰破坏。

（2）外框架梁的损伤对比：在罕遇地震作用下，大部分楼层的外框架梁都出现了损伤。由于跨高比大，框架梁表现为弯曲塑性铰破坏。框架-支撑芯筒结构外框架梁的损伤程度与框架-核心筒结构相当。

（3）其他构件损伤对比：框架-支撑芯筒结构的内框架梁、内框架柱和框架-核心筒结构的墙肢、外框架柱损伤较小，绝大部分还处于弹性状态。

3 屈曲约束支撑的应用分析

从表2和图3可以看出，当框架-支撑芯筒结构钢支撑截面较小时，弹性阶段的受压稳定性不满足要求。当增加钢支撑截面尺寸，会使得结构体系刚度增加，导致框架-支撑芯筒结构的弹性刚度和极限承载力明显高于框架-核心筒结构，使得框架-支撑芯筒结构的总输入能量高于框架-核心筒结构。

基于此，为防止框架-支撑芯筒结构的钢支撑发生屈曲，采用BRB代替钢支撑。为此，将模型A钢支撑等截面替换成BRB，其他构件保持不变，得到模型C。另外，将BRB截面积适当减小，得到模型D。模型C和D的BRB芯材截面尺寸如表4表所示。BRB的芯材采用Q345，屈服后刚度取0.02；屈服指数取10。

表4 BRB芯材截面尺寸Table 4 Steel core cross-section area of BRB

根据盈建科软件计算结果，模型C的基本周期为3.992 s；最大层间位移角为1/582；最大轴压比为0.69。模型D的基本周期为4.968 s；最大层间位移角为1/454；最大轴压比为0.62。

从表3模型C和模型D的弹塑性耗能结果，可以看出：

（1）对比模型C和模型A，采用BRB等截面替换钢支撑后（模型C），结构总体耗能略微降低，但BRB的耗能占比与钢支撑相当。可见，BRB虽然等截面替代钢支撑，但承载能力仍然较高，耗能能力未充分发挥。

（2）对比模型D和模型C，缩小BRB芯材尺寸后，模型D的结构刚度降低，总输入能量也随之降低。同时，BRB的滞回耗能（65.9%）明显高于模型C（36.9%），而其他构件的耗能低于模型C。可见，BRB耗能能力的提高能够有效保护其他构件。

4 结论

通过上述研究，得到如下结论：

（1）框架-支撑芯筒结构与框架-核心筒结构耗能机制的不同之处在于：框架-支撑芯筒结构的支撑是主要抗侧力构件和耗能构件，但由于钢支撑的承载力较高，不容易屈服，耗能能力有限；框架-核心筒结构的连梁是主要耗能构件，墙肢是主要抗侧力构件，体系主要依靠连梁弯曲塑性铰进行能量耗散。

（2）采用BRB等截面替换支撑芯筒的钢支撑，框架-支撑芯筒结构的耗能机制基本保持不变，BRB无法起到很好的耗能作用。

（3）适当缩小BRB的芯材截面，降低BRB的屈服力，不仅能够降低总体能量输入，而且能够将提高BRB的耗能占比，降低其他构件的塑性耗能，有效地保护了其他构件。可见，理想的框架-支撑芯筒结构宜设置部分或全部采用BRB替代钢支撑。

（4）与框架-核心筒结构相比，框架-支撑芯筒结构的支撑采取两端铰接，具有震后易更换的优点。