防屈曲支撐在高層鋼結構中的應用研究

林純

摘 要：簡要介紹數值子結構方法，并基于該方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結構進行地震動力響應分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構件數量、位置對于結構整體響應的影響。

關鍵詞：數值子結構方法；防屈曲支撐；高層鋼結構；地震動力響應分析

中圖分類號：TU973+.13 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0034-04

Abstract： The numerical substructure method is briefly introduced， and based on this method， the seismic dynamic response of high-rise steel structures with buckling-restrained braces is analyzed. The influence of the number and position of anti-buckling braces on the overall response of structures in the process of earthquake damage is studied in depth.

Keywords： numerical substructure method； buckling-restrained braces； high-rise steel structure； seismic dynamic response analysis

引言

實際工程中經常出現結構在荷載作用下，僅局部區域進入非線性甚至強度破壞而其余區域仍處于彈性或小變形狀態，整體非線性效應不可被忽略，上述屬于局部非線性系統。隨著我國對大型土木工程的需求持續增加及結構類型、構件和材料復雜化，此類現象日益突出。現諸多學者針對局部非線性系統的響應分析進行深入研究并提出響應計算方法。新型數值子結構方法利用大規模結構局部非線性特征，又考慮結構地震損傷和破壞全過程中局部損傷部位和演化路徑的不可預知性，兼顧計算精度和效率，與其他方法相比具有一定的優越性[1]。

防屈曲支撐（BRB）是一種新型支撐形式，能有效防止支撐在受壓條件下的屈曲，具有良好的延性及耗能性能。目前BRB構件作為消能減震構件廣泛用于高層建筑結構中。BRB構件在小地震下處于線彈性狀態；而在中震及大震下，核心單元屈服進入塑性，具有金屬阻尼器的耗能能力，從而使得主體結構基本處于彈性范圍內。由于BRB構件能夠全面提升傳統支撐在中震和大震下的抗震性能，故目前作為消能減震構件被廣泛用于建筑結構中[2-3]，并在高層建筑結構中加以利用[4]。由于防屈曲支撐構件的重要性，將數值子結構方法拓展至裝配BRB構件高層建筑結構的非線性動力分析是非常必要的。BRB構件雖然概念簡單明確，但工作機理較為復雜[5]，須對其深入分析BRB構件耗能機理等。

本文基于數值子結構方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結構進行地震動力響應分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構件數量、位置對結構整體響應的影響。

1 數值子結構方法

數值子結構方法采用非精細化主結構模型對整體結構進行模擬并用線彈性有限元分析。同時建立精細化的隔離子結構對進入非線性狀態的構件進行精確高效模擬。主、子結構間通過“非線性修正力”建立邊界位移和力平衡方程并用Client-Server（CS）技術進行模擬。數值子結構方法具體計算流程如圖1所示。

本文將防屈曲支撐構件作為關鍵構件，直接對其隔離并建立精細化模型，無需進行塑性判斷。

2 裝配防屈曲支撐的高層鋼結構模型優化設計

本文以一原裝配鋼支撐高層鋼框架結構核心筒模型為研究對象進行分析，探討防屈曲支撐數量、位置對于結構整體響應的影響，模型如圖2所示。

2.1 防屈曲支撐模型參數的選取

模型中采用的防屈曲支撐力學模型由Zona等開發，該模型滯回關系簡單，參數意義明確，可精確模擬BRB力學行為[6]。BRB模型的內部參數值見表1。其中E0為彈性模量， 為初始屈服應力， 為拉伸條件下的極限應力， 為壓縮條件下的極限應力， 為彈性至塑性過渡形狀控制參數， 為硬化模量， 為硬化率。

2.2 五種不同設計方案

在原模型基礎上設計五種不同防屈曲支撐替換率的方案進行對比分析，如圖3所示。方案一為原模型，即所有支撐均為鋼支撐；方案二將結構1～8層鋼支撐替換為BRB構件，替換率為25%；方案三將結構1～16層鋼支撐替換為BRB構件，替換率為50%；方案四將結構1～24層鋼支撐替換為BRB構件，替換率為75%；方案五將結構所有鋼支撐均替換為BRB構件，替換率為100%。

2.3 高層鋼結構的整體響應比較分析

算例中分別采用非迭代數值子結構方法及常規建模方法計算結構整體響應，采用Taft地震波對結構進行動力響應分析，地震波時間步長為0.01s，總時長為20s，如圖4所示。

圖5、圖6分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱A及內核心筒角柱B的層間位移包絡圖。規范[7]中規定地震作用下鋼結構最大層間位移角限值為1/250，結合圖可得五種方案在地震作用下的最大層間位移角為1/270，符合設計規范。如圖所示，結構在未布置任何BRB構件情況下層間位移角最大。結構的最大層間位移角隨著BRB構件的替換率增大而逐漸減小。在替換率達到50%，即結構1～16層均為BRB構件情況下結構最大層間位移角發生明顯變化。替換率超過50%之后，結構最大層間位移角的下降趨勢較不顯著。通過五種方案的對比，可得到防屈曲支撐構件與普通鋼支撐相比具有較好的耗能性能。此外，當對普通鋼支撐替換率為50%時，結構抗震性能得到顯著提升。當替換率為75%時，結構抗震性能與全裝配防屈曲支撐構件相比基本相同。

圖7、圖8分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱及內核心筒角柱各樓層剪力變化圖。如圖所示，樓層剪力隨層高的增加而逐漸減小，但當達到一定層高，減小趨勢變得緩慢。結構在未布置任何BRB構件情況下剪力值最大，剪力值隨著BRB構件的替換率增大而逐漸減小。內核心筒角柱剪力變化比外框架角柱剪力變化明顯，主要原因為BRB構件布置于核心筒區域，所以對該區域作用最為明顯。在替換率達到50%時，即結構1～16層均為BRB構件情況下，結構最大剪力發生明顯變化。通過五種方案的對比，可得防屈曲支撐構件具有較好的耗能性能。此外，當對普通鋼支撐替換率為50%時，結構抗震性能得到顯著提升。當替換率為75%時，結構抗震性能與全裝配防屈曲支撐構件相比基本相同。

3 結束語

本文通過數值子結構方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結構進行數值模擬，并進一步研究防屈曲支撐構件數量、位置等對結構整體響應的作用。對原結構中的鋼支撐進行替換，提出五種不同替換率的方案。數值結果顯示結構在全裝配普通鋼支撐的情況下，層間位移角及剪力值均最大；而在全裝配防屈曲支撐的情況下，層間位移角及剪力值最小。防屈曲支撐在結構底部能充分發揮耗能作用，故將結構底部的普通鋼支撐換為防屈曲支撐能有效減小結構的層間位移角及剪力值。五種方案的比較顯示，當替換率達到50%時，即結構底部1～16層的普通鋼支撐全替換為防屈曲支撐，結構性能得到顯著改善；當替換率為75%時，結構性能已經與全裝配防屈曲支撐的結構性能基本一致。從而驗證BRB構件的耗能性能優于普通鋼支撐，且基于50%～75%范圍對結構底部的普通鋼支撐進行替換時既能充分發揮防屈曲支撐的耗能作用也能使經濟效益最大化。

參考文獻：

[1]Sun B， Gu Q， Zhang P， et al. A practical numerical substructure method for seismic nonlinear analysis of tall building structures[J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings， 2017，26（16）.

[2]Sabelli R， Mahin S， Chang C. Seismic demands on steel braced frame buildings with buckling-restrained braces[J]. Engineering Structures， 2003，25（5）：655-666.

[3]郝曉燕，李宏男.裝有腹板式鋼制防屈曲支撐框架結構振動臺試驗及分析[J].振動與沖擊，2014，33（16）：130-134.

[4]Clough R W， Wilson E L. Dynamic analysis of large structural systems with local nonlinearities[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1979，17：107-129.

[5]趙俊賢，吳斌，梅洋，等.防屈曲支撐的研究現狀及關鍵理論問題[J].防災減災工程學報，2010（S1）：93-100.

[6]Zona A， Dall'Asta A. Elastoplastic model for steel buckling-restrained braces[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012，68（1）：118-125.

[7]GB50011-2001.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.