某高烈度区矩形钢管混凝土框架结构屈曲约束支撑减震性能分析

张守筠唐逊彬王学文张全杜自芬

云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650100

摘要：钢结构具有抗震性能好，大部分构件均在工厂加工，现场吊装施工快，材料可以回收利用，与国家绿色环保节能、大力发展装配式建筑的理念相适应，因此近年来我国的钢结构建筑逐渐增多。钢结构支撑体系为常见的结构形式，支撑往往采用普通钢支撑，随着经济的发展，加强房屋的抗震性能是必然趋势。与普通支撑相比，屈曲约束支撑（BRB）可以在小震下提供刚度，中大震时屈曲耗能，抗震性能相对更加优异。本工程一层需要停放消防车，层高达到6m，最大柱跨为10.4m，为增强结构的整体刚度，钢框架柱内部浇筑不低于C40的混凝土，消能减震部件选用屈曲约束支撑(BRB)。

关键词：高烈度区；矩形钢管混凝土；屈曲约束支撑（BRB）

中图分类号：TU398

1 工程概况

本工程为某消防队综合办公楼，工程建设地点云南省安宁市，拟建场地位于剥蚀残丘斜坡地带，微地貌属缓坡地地貌。场地地形上北高南低，分为2台，各台内平坦，均为便民停车场，分台高差约2.0～2.2m之间，场地两台的上下边坡均用毛石挡墙支护，挡墙高约2.0～4.5m，现状稳定。

办公楼地上5层，地下局部1层，地上为消防车车位、办公室、会议室、宿舍、活动室等功能，地下为水泵房及消防水池，嵌固端为地下室顶板。建筑平面形式为矩形，长宽尺寸为66.6m×18.3m，建筑高度23.7m，建筑室内外高差0.3m，地下室高度4.8m，地上层高从下到上依次为6m、3.9m、3.9m、3.9m、5.7m。

综合楼为乙类建筑，抗震设防标准为重点类设防。结构体系选用矩形钢管混凝土框架结构，框架梁为钢梁，采用屈曲约束支撑（BRB）减震技术。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，设计地震分组第三组，Ⅱ类场地，场地特征周期0.45s。结构的重要性系数1.1。场地基本风压0.3KN/㎡，基本雪压不考虑。

2 结构布置

本工程为重点设防类建筑，按9度区设防烈度的要求采取抗震措施。上部结构采用减震技术，矩形钢管混凝土柱抗震等级为一级，H型框架钢梁抗震等级为二级，矩形钢管混凝土柱截面口700×700X16X16、口600×550X14X14、口500×550X12X12、、口550×550X14X14；钢框架梁截面H760X250X14X20、H610X300X12X25、H550X200X12X16、H500X200X10X14、H610X250X12X20。钢材采用Q355B。楼板为钢筋桁架楼承板。填充砖墙采用A5.0蒸压加气混凝土砌块，容重不大于700kg/m³，砂浆Ma5.0专用砂浆。

图1 结构计算模型

图2 结构一层框架柱平面布置图

为避免填充墙对结构刚度产生较大影响，钢梁，钢柱与填充墙之间采用柔性连接方式，钢柱与填充墙之间预留20-30mm缝隙，缝隙采用聚苯乙烯泡沫填充，缝隙处喷聚氨酯发泡外用硅酮胶等效密封油膏。钢梁与填充墙之间采用预留20mm的缝隙，采用发泡聚氨酯或其他柔性防水材料塞缝。为保证砖墙的稳定性，钢梁下翼缘采用焊接间距600的连接件（10mm厚100X50钢板）与砖墙连接。钢梁，钢柱与填充墙连接处挂钢丝网片后粉刷面层。

3 减震设计目标

本工程的减震设计目标是结构在设置屈曲约束支撑(BRB)后，矩形钢管混凝土框架结构在多遇地震作用下按弹性计算的位移角由不大于1/300提高为不大于1/330，罕遇地震作用下按弹塑性计算的位移角由不大于1/50提高为不大于1/100。布置屈曲约束支撑（BRB）楼层的数量不少于总楼层数的一半，在地震作用下，布置屈曲约束支撑（BRB）的楼层中，有一半以上的楼层支撑承担的剪力不小于相应楼层总剪力的15%。结构在多遇地震和罕遇地震下的抗震能力均有较大提升。为保证上述减震目标的实现，与屈曲约束支撑(BRB)相连接的主结构构件需在罕遇地震作用下保持弹性或不屈服。

4 减震器设置

屈曲约束支撑(BRB)其芯材作为能量吸收材料，利用钢材的屈服变形滞回耗能来吸收地震能量。钢套筒的设置解决了芯材在地震往复作用下受压失稳的问题，其受拉和受压性能保持基本一致（如图3所示），大大提高了支撑的耗能能力。

图3 屈曲约束支撑的基本构成图

本工程一楼需停放消防车，消防车体型较长，建筑均为大开间布置，建筑正面均为消防车进出通道，设置支撑影响车辆通行，但6米的层高如不设置支撑就会出现底层为薄弱层的问题，对抗震不利，因此还是选择在一层少量布置支撑。考虑到屈曲约束支撑（BRB）刚度较大，对结构的扭转变形有显著影响，所以在布置支撑时尽量布置在结构边跨和四大角。

结构在一层布置屈曲约束支撑（BRB）4个；二布置屈曲约束支撑（BRB）10个；三层布置屈曲约束支撑（BRB）10个；四层布置屈曲约束支撑（BRB）7个；五层布置屈曲约束支撑（BRB）4个，共计35个。屈曲约束支撑（BRB）芯材采用Q235B钢材，屈服承载力1000KN（屈服位移8.2mm）、1800KN（屈服位移11mm）、2000KN（屈服位移6.8mm）、3000KN（屈服位移8.9mm）四种型号。通过BRB的合理布置避免形成刚度薄弱层，减小结构的扭转位移比。

屈曲约束支撑与钢梁、钢柱采用焊接形式连接，现场焊接焊缝质量检验等级为二级。焊缝作用力取值为对应屈服阻尼力的1.2倍。

为方便现场施工和建筑完成后的日常检修，确保减震器在地震下的正常工作，符合结构的计算力学假定，减震器没有采用嵌墙设置，而是选择贴墙布置，施工完成后采用轻质墙板包裹，避免对建筑的使用功能和外立面产生影响。

5 结构对比分析

（1）结构分析采用YJK和SAP2000两种软件进行分析，在计算中采用等代刚度的方式模拟屈曲约束支撑(BRB)进行设计。为了校核所建立的结构模型的准确性，将SAP2000和YJK建立的非减震结构模型计算得到的重量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力进行对比，两个模型的主要指标的误差差值控制在5%以内，计算结果如下表所示。表中差值为：(|SAP2000-YJK|/YJK)*100%

表1 结构对比单位：T（吨）

YJK	SAP2000	差值(%)
6485	6613	2.0

表2 结构周期对比(前三阶主振型）单位：s

周期	YJK	SAP2000	差值(%)
1	0.791	0.785	0.7
2	0.748	0.747	0.7
3	0.533	0.540	4.8

表3 结构地震剪力对比单位：kN
层数	YJK		SAP2000		差值(%)
层数	X	Y	X	Y	X	Y
5	2340	2228	2337	2219	0.1	0.4
4	3920	4068	4061	4197	3.6	3.2
3	5283	5653	5527	5897	4.6	4.3
2	6357	6828	6669	7148	4.9	4.7
1	7357	7797	7664	8118	4.2	4.1

表4 时程文件信息
时程简称	事件名称	多遇地震采用地震加速度最大值(mm/s²)	罕遇地震采用地震加速度最大值(mm/s²)	采集间隔	采点数量
R1	RZC17	700	4000	0.02	1501
R2	RZ17	700	4000	0.02	1501
T1	JG0424-0.005-5991	700	4000	0.005	5991
T2	NGA_266VICT.CHI_FP	700	4000	0.01	2690
T3	NGA_175IMPVALL.H-E12_FN	700	4000	0.005	7802
T4	COYOTELKSJ5067	700	4000	0.005	5365
T5	NGA_832LANDERS.ABY_FP	700	4000	0.02	2498

（2）时程分析地震波选取

根据规范要求结构计算时选取了在统计意义上相符的多条地震波进行分析，其中包含实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线进行弹性和弹塑性时程分析，地震波的有效持续时间一般为结构基本周期的（5～10）倍。七条地震波的详细情况见下表：

表5 各时程持时信息

时程简称	第一次达到该时程曲线最大峰值10%对应的时间(s)	最后一次达到该时程曲线最大峰值10%对应的时间(s)	有效持续时间(s)	结构周期(s)	比值
R1	0.416	18.626	18.21	0.785	23
R2	0.513	17.439	16.926	0.785	22
T1	0.99	21.515	20.530	0.785	26
T2	0.845	24.589	23.744	0.785	30
T3	2.39	36.81	34.42	0.785	44
T4	1.002	36.81	35.808	0.785	46
T5	3.418	47.374	43.956	0.785	56

6 多遇震作用下结构减震性能分析

结构进行多遇地震作用下进行反应谱和弹性时程分析，反应谱工况下不设置减震器的模型X向的最不利层间位移角为1/336，Y向的最不利层间位移角为

1/351；设置减震器的模型X向的最不利层间位移角为1/503，Y向的最不利层间位移角为1/572。设置减震器的模型取7条波的平均值，时程分析工况下,X向的最不利层间位移角为1/618，Y向的最不利层间位移角为1/735。

反应谱的地震效应大于时程分析的平均地震效应，因此可按照反应谱结果进行结构配筋，结构弹性变形值均小于1/330的减震目标。各楼层结构最大扭转位移比均小于1.2。屈曲约束支撑（BRB）对结构扭转变形和抗侧向变形均起到了较好的作用。

表6 7条时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

振型	周期	时程平均影响系数（α）	规范反应谱影响系数（α）	差值
1	0.785	0.303	0.273	-9.8%
2	0.747	0.303	0.285	-5.9%
3	0.540	0.409	0.383	-6.5%

结构进行多遇地震的计算分析和温度应力分析（±15℃）的计算分析，通过结构计算确定屈曲约束支撑（BRB）在各工况下的受力状态，通过图4可以看出，屈曲约束支撑（BRB）在多遇地震和温度应力下轴力均小于屈服力，芯材并未屈服，屈曲约束支撑（BRB）在两种工况下仅提供刚度。满足屈曲约束支撑（BRB）在小震下提供刚度的要求。在多遇地震下屈曲约束支撑的位移3-4.5mm,在温度应力下屈曲约束支撑的位移0.1-3.4mm,阻尼器变形较小。

表7 各地震波与反应谱计算的基底剪力对比
工况		反应谱	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	时程平均值
剪力 (kN)	X	7665	5582	6293	6371	6791	6191	5378	7222	6261
剪力 (kN)	Y	8118	6100	6904	6204	7560	6498	6348	7234	6693
比例（%）	X	100	73	82	83	89	81	70	94	82
比例（%）	Y	100	75	85	76	93	80	78	89	82

图4 BRB阻尼器出力图（单位KN）

7 设防震作用下结构减震性能分析

结构在遭遇设防地震时，为保护结构主体免遭破坏，屈曲约束支撑（BRB）应开始屈曲耗能工作，开始吸收消耗地震能量，从而减小主体结构所受的地震作用，通过图5可以看出，屈曲约束支撑（BRB）在设防地震下大部分进入屈曲耗能。在设防地震下屈曲约束支撑的最大位移18.7mm。

图5 BRB阻尼器出力图（单位KN）

8 罕遇震作用下结构减震性能分析

结构在罕遇地震分析中采用SAP2000中的连接单元Plastic（Wen）模拟屈曲约束支撑（BRB），同时钢框架梁和钢框架柱均定义塑性铰。在分析过程中考虑材料非线性和小变形假定。

在结构在罕遇地震下柱端不允许出现塑性铰，结构主要依靠框架梁和屈曲约束支撑（BRB）进入塑性性能耗能机制。

计算分析采用不设置屈曲约束支撑（BRB）和设置屈曲约束支撑（BRB）两种计算模型进行结构变形分析，

本工程设置屈曲约束支撑（BRB）的计算出铰情况如图6，减震器在罕遇地震作用下的工作状态如图7。

图6 结构出铰情况

图7 罕遇地震BRB阻尼器出力图（单位KN）

图8 各楼层阻尼器与楼层层间屈服剪力比值

通过计算分析，不设置置屈曲约束支撑（BRB）的结构X向的最不利层间位移角为1/83，Y向的最不利层间位移角为1/75。

设置屈曲约束支撑（BRB）的主体结构，在罕遇地震作用下，BRB阻尼器绝大部分均进入屈曲耗能阶段，BRB耗能对主体结构提供了很好的耗能，结构框架柱未出现塑性铰，梁端塑性铰均处于IO阶段。

X向的弹塑性最不利层间位移角为1/127；Y向的最不利层间位移角为1/123，结构的弹塑性变形满足我们设定的预设减震目标1/100的要求。屈曲约束支撑（BRB）使结构的变形能力有大幅度提升。

屈曲约束支撑（BRB）承担剪力占楼层屈服剪力的7%-33%,其中在一至三层X方向和Y方向屈服力比值均在15%以上，满足从而看出屈曲约束支撑（BRB）耗能机制表现良好，减震效果较为显著。

9 结论

①通过分析可以看出，通过合理的设置屈曲约束支撑（BRB）可以很好的达到减震预定目标，取得较好的减震效果。

②屈曲约束支撑（BRB）在设防地震和罕遇地震作用下，逐步进入塑性变形耗能，可以有效的降低主体结构的地震响应，和主体结构形成了抗震的二道防线，增加了结构的冗余度。

③在的抗侧力体系中设置屈曲约束支撑（BRB），有利于提高结构的抗震能力储备，对实现结构的“小震不坏”“中震可修”“大震不倒”有很好的作用。

④钢结构与屈曲约束支撑（BRB）进行抗震工作，两者协同性较好，是一种比较好的结构体系。

参考文献

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某高烈度区矩形钢管混凝土框架结构屈曲约束支撑减震性能分析

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