某教學樓基于防屈曲支撐的減震設計與分析

馬熙楠++楊建榮

摘要： 消能減震結構因其優越的抗震性能而得以廣泛的運用，其中防屈曲支撐由于其良好的耗能性能及便于安裝等優點而被運用到各類建筑的減震設計中。本文以某教學樓的減震設計為例，對結構進行彈性與彈塑性時程分析，對比減震與非減震結構的地震響應。結果表明結構在附設了防屈曲支撐后，減小了結構的層間位移，較大程度的提高了結構的抗震性能，體現了防屈曲支撐作為消能減震元件的可行性。

Abstract： Energy dissipation structures are widely used because of their superior anti-seismic performance. The buckling restrained brace has been applied to the seismic design of various buildings because of its good energy dissipation performance and easy installation. Taking the seismic design of a building as an example， the elastic and elastoplastic time history analysis of the structure was carried out to compare the seismic response of the structure with damping and non damping. The results show that the interlayer displacement of the structure is reduced and the seismic performance of the structure is greatly improved when the Buckling Restrained Braced is attached to the structure， thus demonstrating the feasibility of the Buckling Restrained Braced as the energy dissipation element.

關鍵詞： 消能減震；防屈曲支撐；時程分析

Key words： energy dissipation；Buckling Restrained Braced；time history analysis

中圖分類號：TU973+.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0116-02

0 引言

近年來，地震頻發，它自身的破壞性和所引發的次生災害嚴重威脅了人類的生存和發展，因此受到人們的高度重視，抗震措施不斷進步。如今采用非結構構件來耗散地震能量的方式被普遍采用，成為消能減震技術的一個重要組成部分，能夠有效地減輕結構的地震反應，當地震來臨時，耗能減震部件充當第一道抗震防線，首先進入耗能工作狀態，吸收大量的地震能量，有效地保護了主體結構[1][2]。本文結合實際工程，采用防屈曲支撐作為耗能構件，對結構進行合規有效的抗震設計。

1 防屈曲支撐（BRB）簡介

支撐是一種最為經濟的抗側力構件，它既能提高結構的剛度和承載力，又不影響建筑采光以及內部空間的分割，且施工方便。由于支撐屈曲不利于能量耗散，因此相對于傳統支撐提出了一種新的可以避免屈曲的支撐，稱為放屈曲支撐，也叫屈曲約束支撐鋼框架BRB（Buckling Restrained Braced），防屈曲支撐由芯材，外套筒以及套筒內無粘結材料組成，其構造及耗能曲線如圖1所示。支撐的中心是芯材，為避免芯材受壓時整體屈曲，即在受拉和受壓時都能達到屈服，芯材被置于一個鋼套管內，然后在套管內灌注填充材料。

2 工程概況

本工程為某小學多層教學樓，結構體系為六層框架結構，總建筑面積為3609m2，建筑模型見圖2。

3 阻尼器參數和數量的確定

根據《抗規》消能減震結構的總剛度應為主體結構剛度和消能部件附加給結構的有效剛度的總和。

本工程，采用YJK軟件試算的方式，首先估算出當結構達到目標位移值時，所需的附加剛度，每層設置合理的支撐斷面來考慮阻尼器作用。在YJK軟件提取出支撐的剛度K和小震最不利組合軸力F，此時的剛度K和軸力F即為防屈曲支撐的剛度和參考軸力。確保防屈曲支撐在小震保持彈性，屈服力取值稍微大于小震最不利組合軸力F，為F。 K，F即為防屈曲參數。采用SAP2000軟件進行小震阻尼器不屈的校核計算。

阻尼器的安裝位置：樓層平面內的布置遵循“均勻、分散、對稱”的原則。阻尼器豎向布置先對非減震結構進行計算分析，找出層間位移角最大的樓層，并布置阻尼器，安裝數量根據具體情況而定，然后再對安裝了阻尼器的結構進行分析，再將阻尼器安裝到此時層間位移角最大的樓層，如此循環直到將所有阻尼器安裝完成。而在安裝過程中，某一層的阻尼器數量不宜過多，當某一層所需的阻尼器過多時，可以將其安裝到下面幾層中層間位移較大的樓層，也能起到較好的減震效果，同時阻尼器基本保持沿樓層連續布置。

阻尼器的安裝型式：考慮盡量不影響建筑功能的前提下，本工程決定采用人字撐和單斜撐形式布置BRB。

4 彈性時程分析

4.1 地震波選取

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）5.1.2條規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。endprint

本工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，結果取平均值。此處僅例舉3條地震波，對比結果如表3所示，均滿足規范要求。

4.2 SAP2000彈性分析結果

在SAP2000分析中，彈性時程分析采用軟件所提供的快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮阻尼器的非線性、結構本身假設為線性。

經過計算，減震結構與非減震結構各層層間剪力比在X方向為1.21-1.41，Y方向為1.09-1.31。

阻尼器出力占樓層剪力的比值在X方向為0.27-0.53；Y方向為0.37-0.66，呈逐層增大趨勢。

關于阻尼器的不屈驗算，取小震最不利組合的軸力值與阻尼器屈服承載力作比較，均滿足“小震不屈”要求。

5 減震結構彈塑性時程分析

5.1 SAP2000彈塑性模型的建立

本工程使用大型有限元分析軟件SAP2000進行減震結構的彈塑性時程分析，使用連接單元Plastic-Wen模擬防屈曲支撐阻尼器，主體結構框架梁、柱均定義塑性鉸。

5.2 結構彈塑性時程分析結果

三條波的計算結果為：R2號波X向1/188、Y向1/206；T2號波X向1/170、Y向1/197；T4號波X向1/177、Y向1/186。

三條波的計算結果為：R2號波X向1/161、Y向1/154；T2號波X向1/107、Y向1/128；T4號波X向1/161、Y向1/179。可以看出減震結構較非減震結構有更小的位移角。

大震下非減震結構、減震結構最不利層間位移角（1/rad）比值：減震結構X向的層間位移角包絡值為1/170，非減震結構X向的層間位移角為1/107，減震結構與非減震結構的水平位移比為0.63；罕遇地震作用下，減震結構Y向的層間位移角包絡值為1/186，非減震結構Y向的層間位移角為1/128，減震結構與非減震結構的水平位移比為0.69。

6 結語

本文采用防屈曲支撐對實際工程進行了抗震設計，對結構整體模型進行了彈塑性時程分析，采用三條地震波分析了結構在X向單向和Y向單向地震輸入時結構的彈塑性性能，主要結果總結如下：①罕遇地震作用下，構件均設定端部塑性鉸，所有罕遇地震時程作用下，框架梁、柱均有塑性鉸出現，且梁鉸先于柱鉸出現，三條波的計算結果為：R2號波X向1/188、Y向1/206；T2號波X向1/170、Y向1/197；T4號波X向1/177、Y向1/186，滿足結構強柱弱梁的要求。②罕遇地震作用下，非減震與減震結構X、Y向層間位移角比值分別為0.63和0.69，均滿足“罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的水平位移比小于0.75”的要求。③罕遇地震作用下，各個防屈曲耗能支撐基本進入塑性，發揮了良好的耗能能力。結構在附設了防屈曲耗能支撐后，具有了良好的抗震耗能機制，滿足 “小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設計準則，提高了結構主體的安全性。

參考文獻：

[1]王社良.建筑抗震設計[M].四版.武漢：武漢理工大學出版社，2011，12.

[2]李國強，王鵬，劉玉姝，蔡克銓.BRB應用于混凝土框架的彈性層間位移角限值與設計建議[J].工程抗震與加固改造，2013.

[3]楊昌民，牧野俊雄，李宏男.防屈曲支撐的研究進展及其工程應用[J].建筑科學與工程學報，2011，28（04）：75-85.

[4]JGJ297-2013，建筑消能減震技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6]郝貴強，杜永山，齊建偉.防屈曲支撐（BRB）在抗震加固工程中的應用[J].建筑結構，2010.endprint