高層鋼結構中BRC蹺動技術的減震影響分析

譚燕秋，王穎欣

(河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038;)

蹺動減震技術是允許上部結構和下部基礎脫離，通過上部結構的晃動來隔震的一個新穎的減震設計概念，一般用于鋼框架結構減震設計中。蹺動減震技術由于抗震性能好、基礎構造簡化、經濟效果明顯這些優點，在國際上已成為工程抗震領域一個新的研究熱點［1－4］。我國針對建筑結構蹺動減震的研究剛剛起步，孫飛飛等［5］研究了自回復減震結構的自回復性能;楊芳等［6］則對BRC蹺動減震技術的影響方面進行深入的研究。本文通過一個12層鋼結構框架算例在地震波作用下的頂層最大位移、基底剪力和頂層絕對加速度時程這幾種結構反應分析，得到BRC蹺動結構對于高層鋼框架結構減震的主要影響方面。

1 屈曲約束柱BRC模型的建立

1.1 BRC的減震原理

自回復蹺動減震結構的蹺動是通過自回復蹺動減震柱柱底的抬起和閉合來實現。本文采用屈曲約束柱(BRC)作為自回復蹺動減震底柱。屈曲約束柱(Buckling Restrained Column，簡稱BRC)蹺動減震技術是將屈曲約束支撐用作底層柱，大震作用時的豎向拔力將使屈曲約束柱產生較大的變形，產生蹺動，同時其優異的滯回耗能又可作為被動控制構件耗散地震輸入的能量。根據能力設計的概念，可以將這些屈曲約束柱作為可犧牲構件，并且這種可犧牲構件在破壞或具有較大的殘余變形后，還可以被替換，使結構恢復到震前的狀態。圖1為蹺動結構示意圖。

1.2 BRC結構模型的建立

本文對BRC蹺動結構采用桿系模型，即采用梁單元模擬框架梁、柱。由于蹺動結構的塑性變形主要集中在蹺動發生處，對于上部結構，假設全部處于彈性狀態。BRC主要承受軸力，與支撐的受力方式接近，可以采用SAP2000中的纖維鉸模型:在支撐截面的面積上，將截面劃分為若干等分，每一個區域都用一個纖維表示(圖2)，纖維設置在劃分區域的幾何中心，面積與劃分區域相等。

本文用兩個單元分別模擬重力柱和BRC。建模時，在同一幾何位置建立兩個單元，一個定義為BRC，兩端采用鉸接，另一個定義為重力柱，柱底設置多線性支座，如圖3所示。

2 結構模型

2.1 基本數據

選取一個12層的純鋼框架結構，建筑總高度36.3 m，共12層，首層層高3.3 m，2 ～12層層高 3 m，室內外高差為0.3 m，結構平面布置圖見圖4。主要構件見表1。

表1主要構件表Tab.1 Main components

2.2 方案布置

方案1:12層純框架鋼結構體系，為未控結構;方案2:以方案1為原型，在原結構的底層柱上的X方向設置BRC支撐;方案3:在原結構的底層柱上設置Y方向的BRC支撐。

本文選取三個地震記錄典型的Ⅱ、Ⅲ類場地上的地震記錄(EL－Centro波和Taft波)以及對結構響應最大的IV類場地的TRI_TREASURE ISLAND_90波進行分析，其中EL－Centro波峰值為341.7 cm/s，Taft 波峰值為 152.7 cm/s，TRI_TREASUREISLAND_90峰值為155 cm/s。

3 計算結果分析

3.1 動力特性分析

本例采取模態分析里的Ritz向量法。由模態分析，整理方案前6階模態的自振周期，結果見表2。由表2知，方案2、方案3比方案1的自振周期有一定的增大，但增大幅度并不是特別明顯。雖然屈曲約束柱也會使結構的剛度有所增加，但BRC減震結構主要是通過結構蹺動消耗地震能，所以一定會比原結構的自振周期有所增大。

表2前6階模態的自振周期Tab.2 The natural vibration period of anterior 6 step modal

3.2 結構地震響應分析

3.2.1頂層最大位移和基底剪力

由于方案2、方案3的區別在于底層屈曲柱分別安置在原結構底層的X方向和Y方向，因此，本文通過軟件的模擬讓EL－Centro波、Taft波和TRI_TREASUREISLAND_90分別從X方向、Y方向這兩種情況下通過三種結構方案，得到的地震響應分析的數據如下:

表3從橫向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(X方向)Tab.3 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(X direction)

表4從橫向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(Y方向)Tab.4 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(Y direction)

表5從縱向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(X方向)Tab.5 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismicgo through structure(X direction)

表6從縱向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(Y方向)Tab.6 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismic go through structure(Y direction)

情況一:當地震波橫向通過時，由表3和表4中的數據可知，在X方向，方案2、3的基底剪力和頂層最大位移和普通結構相差不大。而在Y方向，方案 2在 TAFT波、EL－Centro波和 TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分別為91.9%、92.9%和90.9%，頂層最大位移的控制效果則分別為36.3%、34.6%和6.6%;方案3基底剪力的控制效果為96.3%、96%和92.2%，頂層最大位移的控制效果明顯。這表明，當地震波從橫向通過結構時，在結構X方向安裝BRC對地震有很好的控制作用，在Y方向安裝BRC對基底剪力有很好的控制效果，而頂層位移的控制效果則與普通結構無太大區別。

情況二:對于從縱向通過的地震波，由表5和表6中的數據可知，在X方向，方案2在TAFT波、EL－Centro波和TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分別為92.9%、92.8%和91.3%，頂層最大位移的控制效果與原結構相差無幾;方案3在三種波的作用下基地剪力的控制效果為91%、91.5%和92%，頂層最大位移的控制效果為26.5%、35.4%和33.1%。而在Y方向，方案2的減震效果并不明顯;方案3基底剪力控制效果為17.4%、26.4%和30.6%，頂層最大位移控制效果與普通結構無異。這表明，當地震波縱向通過時，在結構X方向安裝BRC可以起到一定的減震效果，而在Y方向安裝BRC結構的減震效果非常明顯。

綜合以上兩種情況，當地震波從結構縱向通過結構時，是最理想的應用BRC結構的條件;當地震波橫向通過結構，也可以通過安裝BRC對結構起到減震作用。

3.2.2頂層絕對加速度時程曲線比較

為了更好的比較三種布置BRC的方案，下面給出布置BRC的方案與未控結構的頂層絕對加速度時程曲線圖，這里只討論在縱向地震波作用下的三種方案頂層絕對加速的的時程曲線比較。結構的頂層最大加速度見下表9。由表中的數據得知，在Taft波的作用下方案2使結構的頂層最大加速度比原結構降低了 67.2%，方案 3為59.8%;在EL－Centro波的作用下，方案2比原結構的頂層最大加速度降低69.2%，方案3降低48.0%。在TRI_TREASUREISLAND_90波的作用下，方案2的頂層最大加速度比原結構減少了27.0%，方案3 減少了8.3%。

表7縱向地震波作用下的頂層最大絕對加速度Tab.7 The top of the maximum absolute acceleration under the action of vertical seismic wave m/s2

結合頂層絕對加速度的對比圖(圖5～7)，不難看出在Taft地震波從縱向通過結構時，方案2對結構的頂層最大加速度控制效果最好;在ELCentro波從縱向通過結構時，方案3對頂層最大加速的的控制效果好;而在TRI_TREASUREISLAND_90波作用下結構的頂層最大加速度控制作用不明顯。

4 結論

1)BRC結構比傳統鋼框架結構的自振周期有所增加。

2)通過三種結構在三種地震波下的地震響應分析，BRC結構比傳統的鋼框架結構在減小地震能方面有顯著優勢，但對BRC在底層柱的布置方向存在著一定要求。

3)若結構任意方向布置BRC，地震波沿結構平面邊長較短的一面傳來時的減震效果優于沿結構平面邊長較長的方向傳播的地震波;若地震波的方向未知，在結構設計時，盡量把BRC布置在底層柱數目多的方向;能夠使BRC結構減震最大化的情況是，BRC沿結構底層柱數目多的方向布置，而地震波方向垂直于BRC布置方向傳播。

［1］譚燕秋，甄曉慧，史三元.雙層柱面網殼結構在BRB作用下的減震分析［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2012，30(1):57－62.

［2］石懷榮，胡 娟.叉車減震墊檢測機構動力學性能優化的設計研究［J］.河北科技大學學報，2011，32(4):54－57.

［3］劉建彬.防屈曲支撐及防屈曲支撐鋼框架設計理論研究［D］.北京:清華大學，2005.

［4］郭彥林，劉建彬，蔡益燕，等.結構的耗能減震與防屈曲支撐［J］.建筑結構，2005，35(8):18－23.

［5］孫飛飛，曹 鵠.自回復蹺動減震結構地震反應分析［J］.土木工程學報，2011，43:413－422.

［6］楊芳，孫飛飛.重力對屈曲約束柱蹺動減震技術的影響［J］.建筑鋼結構進展，2011，4(13):57－64.