承载型屈曲约束支撑在建筑结构设计中的应用

罗森林，孔令宇，谢允，代永胜，魏世辉，蒋衍

（1．阜阳市建筑工程施工图审查有限责任公司，安徽 阜阳 236000；2．东南大学，江苏 南京 210000；3．阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236000；4．阜阳电力规划设计院有限公司，安徽 阜阳 236000）

1 概述

屈曲约束支撑（简称BRB）是一种新型的无粘结耗能支撑[1]，因其具有承载力高、耗能能力强、适用范围广等优点，在国外的减震隔震市场已经占到近一半的份额，近年来在我国新建建筑工程中也得到广泛应用。国内使用屈曲约束支撑代表性的工程包括山西宾利国际商务公寓、石家庄勒泰中心、邯郸市科技中心等，其在实际工程中展现出较强的承载能力和耗能能力[3]，而且经济合理、方便更换，有着广阔的发展空间。

2 屈曲约束支撑结构设计的若干问题探讨

关于屈曲约束支撑（简称BRB）如何分类和适用范围的问题，可分为承载型屈曲约束支撑和耗能型屈曲约束支撑两种，二者都需要在结构体系中作为第一道抗震防线来消耗地震作用。耗能型屈曲约束支撑属于金属阻尼器的一种，应该按照消能减震结构体系进行分析计算。承载型屈曲约束支撑是普通支撑的一种升级改进，是结构的主要受力构件，按照普通支撑结构体系分析计算。采用承载型屈曲约束支撑框架结构的适用高度、抗震等级等指标应该按钢支撑-框架体系进行设计。

常规的框架结构建筑比较适合设置承载型屈曲约束支撑，因其结构的整体刚度偏弱，层间位移角指标可能难以满足规范的要求，8 度以上地区设计时会带来梁柱截面尺寸太大、超筋严重等问题；采用BRB 后，可以充分增强结构的抗侧刚度，从而提高整体的抗震性能。而在100m 以上超高层建筑的加强层设计中，很多使用了耗能型屈曲约束支撑，用来减震隔震。如袁林华等[1]在乌鲁木齐宝能城项目中，设置了屈服强度超过15000kN 的承载型BRB。陈曦等[2]在某280m 超高层钢结构将伸臂桁架斜腹杆处的耗能型BRB 和普通钢支撑混合使用，BRB 的屈服强度超过20000kN。武莲霞等[3]将耗能型BRB和承载型BRB在伸臂桁架混合使用，这些工程均取得较好的抗震效果。

关于框架部分和屈曲约束支撑二者承担的倾覆力矩和地震剪力比值分配的问题。《屈曲约束支撑应用技术规程》（T/CECS 817-2021）规定[4]，“采用承载型屈曲约束支撑的结构，在多遇地震时框架部分承担的地震剪力不低于结构底部总剪力的25%”。《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）附录G 规定，“底层的钢支撑框架承担的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%”。这与框架-剪力墙结构类似，都要求BRB 支撑或是剪力墙在底层承担较大比例的地震倾覆力矩，以充分发挥第一道抗震防线的作用，否则可能会因BRB 支撑设置过少而造成对整体结构的刚度贡献小，在罕遇地震时会增加框架部分的负担。

关于承载型屈曲约束支撑主要结构设计性能指标问题，应按照现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）和《屈曲约束支撑应用技术规程》（T/CECS 817-2021）的有关规定执行，建议控制指标如表1所示。

表1 承载型屈曲约束支撑-混凝土框架结构的主要结构性能指标

与承载型屈曲约束支撑BRB 相连的梁、柱等结构构件的设计问题。由于BRB 刚度较大，通常会吸收较大地震作用，与其相连的梁、柱、墙等构件内力增大，可能会造成超筋。具体处理的对策：首先是调小单个BRB 支撑的刚度，减小其截面尺寸，适当增加BRB 数量，以保持结构整体的刚度不会减小；其次是增大柱子的截面尺寸或是增加复合螺旋箍筋；最后还可以采用型钢混凝土柱，以增加其延性和承载能力。在罕遇地震时，需要考虑BRB 的极限荷载作用对相连的梁、柱等结构构件及节点的附加作用，防止这些与BRB 相连的梁、柱等过早退出工作而导致BRB 无法发挥作用。当BRB 布置不对称时，也会对邻近的梁产生拉压不平衡力，会对梁产生附加弯矩和剪力，建议适当提高这些与BRB 相连的梁、柱结构构件的抗震构造措施。

3 承载型屈曲约束支撑在部分工程结构设计中的应用情况

袁慧志[5]介绍在天津某医院项目中应用了承载型屈曲约束支撑。该工程地上10 层，地下2 层，采用钢框架-屈曲约束支撑结构，屈服承载力1500kN，BRB芯材为Q355B，支撑的有效刚度为240000kN/m。主要计算结果如表2 所示。

表2 天津某医院采用屈曲约束支撑前后的结构主要性能指标对比

从表2看出，该结构在设置BRB后，结构的第一周期下降16．5%，层间位移角、位移比等均满足规范要求，结构的抗侧刚度得到提高。采用BRB 支撑后，框架柱的基底剪力下降约27%，表明BRB支撑分担较大的基底剪力。罕遇地震BRB 的极限受拉强度均大于屈服强度，说明均已进入耗能阶段，且极限受拉强度和极限受压强度十分接近，这点要优于普通钢支撑。

胡锡勇[6]介绍在上海某高层装配式商业建筑结构中使用承载型屈曲约束支撑（BRB），地上6 层地下2 层，结构体系是框架-屈曲约束支撑结构，存在较多大跨及大悬挑。该工程的结构设计通过调整约束屈服段与非屈服段的长度和面积比例[6]，来控制BRB 的屈服力值及刚度值，BRB 芯材为Q235B，屈服承载力的范围是846～3384kN。主要计算结果如表3 所示。

表3 上海市某高层装配式商业建筑的结构主要性能指标

从表3 可以看出，该结构的最大层间位移角、周期比等均满足规范要求，BRB 支撑的布置使结构在两个主轴方向的性能指标比较接近，罕遇地震时的基底剪力是多遇地震的4．2～4．4倍，在合理范围内。多遇地震下BRB 支撑处于弹性状态，试验结果表明BRB 支撑滞回曲线饱满，耗能能力较强。稍显不足的是BRB 支撑在罕遇地震仅参与约27%的耗能，总体贡献较小，说明BRB 支撑的屈服承载力设定值偏高，在整个结构体系中没有充分发挥耗能能力，建议可以考虑调低单个BRB 支撑的屈服承载力,同时增加其数量。

黄锐等[7]在甘肃省古浪县8°区的7层银行办公楼中使用承载型屈曲约束支撑，结构体系是框架-支撑结构体系，共布置了48 根BRB，在弹塑性分析时，结构体系的恢复力模型取主体框架结构和屈曲约束支撑BRB 的恢复力模型之和。主要计算结果如表4所示。

表4 甘肃省古浪县某银行办公楼中采用屈曲约束支撑后的结构主要性能指标

该工程设置的屈曲约束支撑分担的底部地震倾覆力矩只占到42．5%左右，宜控制在50．0%以上；底层框架分担的地震剪力在56．5%以上，满足《屈曲约束支撑应用技术规程》（T/CECS 817-2021）要求的框架部分按照刚度分配的剪力不低于25．0%底部总剪力的要求。结构设置BRB 后与原框架结构的楼层剪力比接近1，表明设置BRB 后对于总地震剪力的减少不大；结构设置BRB 后与原框架结构的位移降低率较大，说明整体刚度提高较大，层间位移角指标下降较大。罕遇地震时，该工程的层间位移角满足不超过1/50 的要求且具有一定的富裕度。

司斌[8]介绍在上海市某商务酒店项目中使用承载型屈曲约束支撑的工程实例，该工程地上9 层地下1 层、屈曲约束支撑-装配式整体混凝土框架结构，通过采用三个方案对比，展现了BRB 支撑在承载力、抗震性能方面的优越性。主要计算结果如表5所示。

表5 上海市某商务酒店项目采用屈曲约束支撑BRB前后的三个结构方案主要指标对比

从表5 分析可知，采用方案二时，虽然总体刚度最大、层间位移角和周期最小，但造价高；装配式框剪结构中剪力墙不宜预制，而且建筑专业不一定允许剪力墙上下连续设置，综合性价比不高。若采用方案一，结构的总体刚度较小、层间位移角和基底剪力较大，抗震性能不理想。采用方案三时，总质量最小、层间位移角、基底剪力等均适中，耗能能力强且BRB 易于维修更换，综合性价比最高，因此是最佳选择。通过大震弹塑性时程分析，表明屈曲约束支撑首先进入屈服耗能，BRB 支撑的滞回曲线饱满，可以较好发挥耗能作用。

4 结语

承载型屈曲约束支撑在建筑工程的应用已经很普遍，可以提高结构的抗侧刚度、承载力和耗能能力。上文结合实际工程，对承载型屈曲约束支撑在建筑结构设计中遇到的主要结构设计性能指标确定、框架部分和屈曲约束支撑二者承担倾覆力矩分配等若干问题进行分析探讨，为以后类似工程的结构设计提供参考。