带屈曲约束支撑的局部收进框剪结构的减震效果分析

任 刚， 关 群

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

带屈曲约束支撑的局部收进框剪结构的减震效果分析

任 刚， 关 群

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

屈曲约束支撑是一种性能优良的新型位移型耗能减震构件，在大震时表现出更强和更稳定的耗能能力，具有广阔的应用前景。阐述了屈曲约束支撑的构成和基本原理，并通过ETABS有限元软件对设有屈曲约束支撑并有局部收进的框架剪力墙结构相关工程进行了耗能减震性能分析。

屈曲约束支撑；框架剪力墙结构；有限元分析；减震

1 屈曲约束支撑构件

屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace,简称BRB)是一种新型的位移型金属耗能构件，在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲，后因其较传统支撑构件具有优良的滞回耗能性能，地震时不易屈曲、安装简便且经济，破坏后便于更换等优点，近年来被广泛应用于框架、框剪及框筒等新建工程减震设计以及既有建筑结构的抗震加固和改造中[1-4]。本文基于某医院框架剪力墙结构，利用ETABS软件对其进行了多遇和罕遇地震作用下的有限元分析,研究了结构增设BRB后减震结构与原结构的动力响应，对比分析了减震结构在结构层间位移角、楼层剪力等方面的减震控制效果、同时对BRB的耗能情况进行分析研究。

1.1 基本组成

屈曲约束支撑的构造组成主要从两方面来分析，即横向构成和纵向构成。屈曲约束支撑的横向构成分为3部分[5]，即核心单元、约束单元及滑动机制单元，如图1所示。

图1 屈曲约束支撑的横向构成

屈曲约束支撑的纵向构成分为5个部分[6](图2)：约束屈服段；约束非屈服段；无约束非屈服段；无粘结可膨胀材料；屈曲约束机构。这种组成形式构成了约束屈曲支撑的特殊功能。

图2 屈曲约束支撑的纵向构成

1.2 屈曲约束支撑的基本原理

屈曲约束支撑的形式多样，但原理基本相似。屈曲约束支撑的原理为(图1)[7-8]：支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受，该芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，而外围钢管和钢套管内灌注混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压时屈曲。由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，可以减小或消除芯材轴力时传给砂浆或混凝土的力。因此屈曲约束支撑同时具有同心斜撑和滞回型耗能原件的优点，具有优良的价值[9]。

2 有限元分析模型

2.1 工程概况

某医学院第一附属医院位于7度设防地区，基本地震加速度0.1g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅱ类， 安全使用年限50 a，计算模型立面图如图3所示，标准层结构平面图如图4。文献[10]明确提出了三水准抗震设防目标，结合结构设计要求，结构抗震性能目标说明见表1所列。

图3 立面计算模型图

图4 屈曲约束支撑的横向构成图

表1 结构抗震性能指标

2.2 减震方案设计

2.2.1 结构模型的建立与验证

利用ETABS软件建模对结构进行模态分析及7度多遇及罕遇地震作用下的时程分析。梁、柱均采用ETABS中空间杆系弹性单元，剪力墙采用壳单元，楼板采用膜单元，并采用楼板无限刚性的计算假定。BRB支撑采用plastical单元。为验证模型的正确性，建立结构YJK模型，进行分析，将YJK结构周期与ETABS中周期进行对比，对比结果见表2所列，可见，周期最大误差为2.55%，两种软件计算的结果有一定的差别，但计算结果还是在可接受范围内。表中误差计算公式为

(1)

表2 结构周期对比

2.2.2 屈曲约束支撑的布置与选型

根据实际建筑需求，避开结构中门洞设计及建筑开洞，从而不影响建筑的布置与使用。结合本工程的特点，本工程在第二层存在楼板不连续情况，在第七层局部收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%，即侧向刚度不规则。本工程屈曲约束支撑布置如图4所示，二到六层布置于两侧楼梯处,每层1、3轴交L、A轴布置为人字形斜撑(虚线黑色椭圆标记)阻尼器2个，每层1轴交AB、CD、HJ、KL轴布置为单斜撑(虚线黑色椭圆标记)阻尼器2个；七到二十六层收进16 m，且第七层为设备层，在第七层周边框架布置为单斜撑,考虑到顶层两层收进8 m,由图10可知，楼层中部十三至十六层位移角最大，故在十三至十六层及二十六层每层4、5轴交A、L轴布置为人字形斜撑(虚线黑色椭圆标记)阻尼器2个；二十七至二十八层每层5、6轴交A、L轴布置为人字形斜撑(虚线黑色椭圆标记)阻尼器2个，共64个阻尼器。设计参数见表3所列。

表3 屈曲约束支撑参数

3 分析结果对比

3.1 结构动力特性对比

减震结构与原结构动力特性对比见表2。增设屈曲约束支撑后，为结构提供附加刚度，因此带屈曲约束支撑的结构较原结构的周期有一定的降低，最大减少率为8.2%。

3.2 结构动力特性对比

结构减震前后3条地震波计算所得层间位移角平均值的对比如图5及图6所示。多遇地震下，原结构弹性层间位移角部分超过规范限值1/800，增设屈曲约束支撑后，X向减震效果较大，减震后X向结构比原结构的位移角最大减小率为25.6%，由1/700减小为1/941，满足规范要求，达到结构抗震设计目标。多遇、罕遇地震作用下，Y向结构的最大层间位移角出现在中部楼层，其中多遇地震作用时均出现在17层，罕遇地震作用时RH1TG090波、RH1TG090波和人工波TH1TG090分别出现在13层、14层、13层,而且都是除了顶层与第二层位移出现突变外，在中间楼层处曲线最为陡峭。从图7可以看出，罕遇地震作用时，二层、中部楼层及顶部两层出现薄弱层，增设屈曲约束支撑后，缓解了位移角的突变，减震后X向结构比原结构的位移角最大减小率为57.6%，由1/187减小为1/432。

多遇地震作用下，结构减震前后3条地震波计算所得楼层剪力平均值的对比如图所示。由图8和图9所示，增设屈曲约束支撑后，楼层剪力减小，由于中间八到十二层以及十七到二十六层没有增设屈曲约束支撑，楼层剪力减小效果不明显，减震后X向最大楼层剪力由8 463.5 kM减小为7 560.8 kN，减小率为10.7%，Y向最大楼层剪力由7 578.6 kN减小为7 421.2 kN，减小率为2%，可见，屈曲约束支撑减小结构地震剪力，提高了结构安全度。

图5 多遇地震作用下X向层间位移角(1/rad)

图6 多遇地震作用下Y向层间位移角(1/rad)

图7 罕遇地震X向位移角(1/rad)

图8 X向楼层剪力/kN

图9 Y向楼层剪力/kN

4 结束语

(1) 原结构在未加屈曲约束支撑时，在第二层特别是在顶层两层局部收进的位置位移角发生了突变，加支撑后突变明显改变，所以对于结构在竖向局部收进导致结构刚度、内力、变形突变的问题，能够通过合理设置屈曲约束支撑使结构得到改善。

(2) 由图5、图7可知层间位移角最大减小率为57.6%，楼层剪力最大减小率为10.7%，减震效果非常明显。所以约束屈曲支撑对控制局部收进的框剪结构在地震作用下的内力和位移都有显著的效果。

(3) 由于该结构X方向竖向局部收进，所以在X向设置屈曲约束支撑，既能使高层框架剪力墙结构X向满足刚度要求又满足多遇地震下变形和承载力要求，在罕遇地震下又能够呈现良好的耗能状态。

[1] 周 云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 张卫海,邵宏政.防屈曲耗能支撑在铰接混凝土框架抗震加固中的应用[J].结构工程师,2012,28(3):147～151.

[3] 吴从永,吴从晓,周 云.新型开槽式防屈曲耗能支撑力学模型研究及应用[J].土木工程学报,2010(S1):397～402.

[4] 刘 金,赵 林,刘庆梅,等.屈曲约束支撑布置方式对多层框架抗震性能影响[J].建筑结构,2011(S1):158～161.

[5] 杨昌民,李宏男,牧野俊雄,等.防屈曲支撑的有限元模拟及滞回性能分析[J].防灾减灾工程学报,2012,32(2):145～151.

[6] 汪家铭，中岛正爱，陆 烨.屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(Ⅱ)[J].建筑钢结构进展，2005，7(1)：1～12.

[7] 周 云.金属耗能减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2006.

[8] 罗开海,程绍革,白雪霜,等.屈曲约束耗能支撑力学性能分析[J].工程抗震与加固改造,2007,29(2):23～27.

[9] 蔡克铨，黄彦智，翁崇兴.双管式挫屈束制(屈曲约束)支撑之耐震行为与应用[J].建筑钢结构进展，2005，7(3)：1～8.

[10] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

2016-12-22

任 刚(1989-)，男，安徽六安人，合肥工业大学硕士生； 关 群(1962-)，女，江苏扬州人，博士，合肥工业大学教授．

TU973.31

A

1673-5781(2016)06-0783-03