屈曲約束支撐（BRB）消能減震控制分析

伍定一（常德市規劃建筑設計院有限責任公司，湖南常德415000）

屈曲約束支撐（BRB）消能減震控制分析

伍定一（常德市規劃建筑設計院有限責任公司，湖南常德415000）

高烈度區（Ⅷ度及以上）結構采用傳統的延性抗震設計方法往往存在以下主要問題：采用傳統的框架結構體系，在小震作用下難以滿足1/550的層間位移角要求，采用框架-剪力墻體系，結構剛度太大，吸收的地震力大大增加，剪力墻超配筋現象嚴重，且建筑功能上很多時候限制了剪力墻的布置位置；通過加大結構截面、增加配筋來抵抗地震，結果是斷面越大，剛度越大，地震作用也越大，往往給設計帶來了很大難度。采用屈曲約束支撐方案，既能給結構提供小震作用下的附加阻尼比，小震時，屈曲約束支撐仍處于彈性狀態，具有足夠側向剛度保證結構滿足使用要求，當發生中、強地震時，隨著結構側向變形的增大，屈曲約束支撐率先進入非彈性狀態，提供較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，從而保護主體結構及構件在強震中免遭嚴重破壞，確保結構安全。本文分析了某工程在大震作用下的彈塑性變形性能、層間位移角，大震作用下的塑性鉸出現順序和位置、薄弱環節及破壞機制等，同時分析了防屈曲耗能支撐結構在大震作用下的屈服特性。

屈曲約束支撐（BRB）；靜力彈塑性（Pushover）分析；附加阻尼比；塑性鉸

1　工程概況

本工程位于新疆省烏魯木齊市，為一小區內配套幼兒園，3層，建筑物總高度14.400m。地上部分為屈曲約束耗能支撐的框架結構體系，抗震設防烈度Ⅷ度，設計基本地震加速度為0.2g；設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類場地。框架的抗震等級為一級。50年一遇的基本風壓為0.6kN/m2，粗糙度為B類［1］。

2　屈曲約束支撐的布置方式

圖1　主樓BRB布置圖

3　罕遇地震作用下靜力彈塑性（Pushover）分析及結構抗震性能評價

對結構進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性 （Pushover）分析，是在基于性能的抗震設計方法中，以量化的計算結果來評價結構在大震作用下是否滿足“不嚴重破壞，變形不大于彈塑性變形限值”的抗震性能目標的具體實現手段之一。

3.1Pushover分析方法及結構抗震性能評估［2］

地震屬于不可抗力的一種自然現象，并具有不可抗力。Pushover分析方法就是以靜力來模擬地震力，雖然靜力的力度與地震發生時的力度具有天壤之別，但其性質以及發生的原理與地震非常相似。Pushover是指地震在發生時對建筑物造成彈塑性變的一種理論原則。以靜力代替地震力，在實用模型上按照某種規律進行合理的排列與分布。從小到大，從低到高逐漸加大單調加載力度，從而進一步進行分析和計算。一旦在模擬的過程中，結構模型發生了屈服，開裂，毀壞等情況，就應該終止此項模擬測驗，改變原有的結構形勢并判斷事故發生的地方，通過結構的重新設定再次判斷抗震力是否滿足地震要求的要求。

Pushover方法分既包括建荷載－位移曲線結構的建立，還包括反映結構的非線性地震反應特征，對高層建筑結構進行簡化分析，進一步從而完善建筑抗震能力的設計。

抗震性能設計的能力譜法步驟如下：

用Pushover法求出結構的能力曲線；

將能力曲線變換為用譜加速度與譜位移關系表示的能力譜曲線；

由規范的反應譜變換為用譜加速度與譜位移關系表示的需求譜曲線。

3.1.1計算結構阻尼比

結構在側推（Pushover）過程中構件進入彈塑性狀態，阻尼隨著增加，沿著能力譜曲線上每一點，都可計算該時刻下的結構阻尼比。

3.1.2結構性能點的確立

Pushover結構抗震性能評估主要是通過結構的能力譜與在罕遇地震下結構，性能需求譜兩者的相互疊加，從而全面的計算出此結構的性能點。結構性能點的計算能夠推理出譜曲線上，每一點的阻尼比，需求譜由外到內的縮小與收斂，影響著阻尼比沿其曲線由小到大的變化。結構的性能點也表現在能力譜曲線上必有一點的譜值與該點同阻尼比需求譜的重合。

3.1.3罕遇地震下的結構位移

由結構的性能點，可得相應結構的頂點位移，相應的結構各層變形即反映結構在罕遇地震下各層的位移。計算結構層間位移角，與規范要求對比，判斷結構是否滿足大震變形要求。由結構塑性鉸的分布，判斷結構薄弱層所在。

3.2使用的程序和計算模型

本工程采用PKPM2010-EPDA&PUSH進行推覆分析。

3.2.1計算假定

本工程為簡化模型，節省計算時間，模型中采用了剛性樓板假定，罕遇地震作用下地震影響系數最大值αmax（g）=0.900，特征周期Tg（S）=0.400，這一模型已能滿足計算精度要求。

3.2.2加載順序

豎向與水平荷載分三步施加于結構上，如下所述：

第一步：施加重力荷載，荷載取值為重力荷載代表值；

第二步：維護第一步所施加的重力荷載不變。水平作用力值從零開始逐步增加，每次增加一個小的增量。隨著非線性靜力分析的進行，監視屋頂在水平作用力方向的水平位移。當屋頂水平位移超過預見的水平水移值時，非線性靜力分析在人工干預下結束。

3.3PKPM Pushover分析結果

對于靜力彈塑性的研究與闡述，我們主要采用EPDA/ PUSH程序理論為基礎，通過PUSH程序進行全面科學的分析。其主要作用是通過結構模型對彈塑性抗震性能的實驗與考核對基本結構的薄弱部位進行計算與數據分析。以倒三角形分布規則為基礎，采用假定的剛性樓板與加載的側向性味原理，將基底剪力與總重量的比率數值歸算等于1。在進行PUSH程序計算分析過程中，模擬地震發生時荷載力，在建筑物的X向和Y向分別施加力量并得出相應的結果，見圖2～5。

圖2　X向抗倒塌驗算圖（大震）

圖3　Y向抗倒塌驗算圖（大震）

圖2和圖3說明了水平推覆力、最大層間位移角和設計反應譜三者之間的相互關系。圖中橫坐標表示結構的基本自振周期，縱坐標分別表示了地震影響系數和結構的最大層間位移角。周期-加速度曲線（即能力曲線）與Ⅷ度抗震設防下的罕遇地震需求譜曲線相交，由交點向上，與周期-最大層間位移角曲線相交，所對應的縱坐標表示了在罕遇地震作用下結構的塑性層間位移角，分別為1/187（X方向）和1/122（Y方向）。當彈塑性分析推覆達到性能點時，X向和Y向均能滿足國家規范規定的1/50（框架結構）的限值要求。

能力曲線與起到地震預防與保護作用的罕遇地震需求譜曲線兩者之間交匯的共同點為建筑結構抗倒塌、抗震幅的性能點。通過以往的地震經驗與模型對比分析，在罕遇地震作用下結構的塑性層間位移角，分別為1/187（X方向）和1/122（Y方向），小于規范要求的1/50的層間位移要求，且塑性鉸主要出現在支撐位置和與支撐相鄰的框架梁端部等部位，表明該結構的抗震性能較好，即使發生Ⅷ度抗震設防下的罕遇地震，結構仍然能夠保證主體不發生整體倒塌。

性能控制點所對應的結構桿端塑性狀態如圖4～5所示。

在pushover分析過程中，作用X方向推覆力時，塑性鉸均出現在防屈曲支撐和部分的框架梁的梁端，達到性能點時，少量柱端出現塑性鉸。

圖4　X向塑性鉸分布圖

圖5　Y向塑性鉸分布圖

作用Y方向推覆力時，首先在屈曲約束支撐出現塑性鉸，然后在部分梁端出現塑性鉸，隨著推覆的不斷深入，其他各層開始出現梁鉸，達到性能點時，整個結構的大多數屈曲約束支撐基本進入了塑性階段，而少量柱端出現塑性鉸，符合強柱弱梁的抗震設計概念。

4　Pushover分析結果

結構靜力彈塑性Pushover分析的結果表明：

（1）從結構性能的觀點來看，推覆分析所得到結構的能力曲線，不論是X向，還是Y方向，都能穿越罕遇地震反應譜曲線。結構的整體性適用程度與結構內部構件的可塑性變形程度共同保障結構的總體安全性。Pushover整體性能的評估將通過彈塑性層間位移角的大小、結構頂部位移的距離以及底部結構塑性過程的發展情況加以體現。構件則通過構件塑性鉸的變形發展程度來評估。性能控制點處結構的內力和變形數據見表1，結構整體設計能做到“小震不壞，大震不倒”。

表1　性能控制點處的相關指標

（1）根據建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）中的第5.5.5條規定，鋼筋混凝土框架結構在罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角應小于1/50的限值［3］。該結構在水平荷載模式的推覆分析結果中，最大層間彈塑性位移角為1/122，滿足規范規定的彈塑性變形要求；

（3）從塑性鉸的分布和出現順序可以看出：屈曲約束支撐率先屈服耗能，隨后出現梁鉸，達到性能點時，少量柱端出現塑性鉸。

5　結論

該結構在大震作用下能發揮屈曲約束支撐率先屈服的機制，在大震下率先屈服耗能，發揮其第一道防線的作用，且可實現梁先于柱子屈服的合理機制，且增加屈曲約束支撐后能很好滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”［3］的抗震性能目標。

［1］《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）［S］.

［2］PKPM2010版說明書系列－PUSH&EPDA多層及高層建筑結構彈塑性靜力、動力分析軟件用戶手冊.

［3］《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）［S］.

TU352.1

A

2095-2066（2016）26-0157-03

2016-7-13

伍定一（1979-），男，一級注冊結構工程，院副總工程師，工學碩士，主要從事結構設計工作。