新型屈曲約束支撐鋼框架體系耗能有限元分析

蔡天元，楊艷敏*，謝曉娟，王 鵬，孟祥琨，熊 瑛

（1：吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118；2：吉林省建筑科學研究設計院，吉林 長春 130011）

0 引言

屈曲約束支撐（BRB）是一種耗能優良的支撐構件，許多工程將支撐運用于框架，組成屈曲約束支撐框架[1]。針對傳統屈曲約束支撐自重大、構造復雜與造價高等問題, 筆者提出了一種切削十字型屈曲約束支撐,其填充材料采用輕骨料混凝土,有效降低支撐自重。與傳統支撐相比,通過切削工藝,將核心段削薄,節省材料,使支撐的端部和核心部分同時發生破壞。為避免端部過早出現應力集中破壞，在屈曲約束支撐過渡段采用25 °斜坡。且該屈曲約束支撐構造簡單,均為地域性材料,減少運輸費用及降低成本,制作方便。

本文通過SAP2000 有限元分析軟件對某鋼框架結構進行多遇地震下時程分析, 通過對比原結構和增設新型屈曲約束支撐結構層間位移角、頂點位移、頂點加速度，研究新型屈曲約束支撐對鋼框架結構抗震性能影響。

1 支撐設計

新型切削十字型屈曲約束支撐以輕骨料混凝土（1 650 kg/m3～1 850 kg/m3）作為填充材料，有效降低了自重。角鋼采用切削工藝,核心單元由2 根角鋼直接對焊設計而成。核心段采用點焊形式，有效減少焊接殘余應力。支撐長為1 300 mm，外包鋼套管長為950 mm，截面尺寸100 mm×100 mm×2.5 mm，試件尺寸如圖1 所示。

圖1 BRB 試件尺寸圖(mm)

連接段橫截面面積分別為耗能段橫截面面積的1.5 倍和2.1 倍，確保芯材核心耗能段達到塑性階段時連接端仍處于彈性階段。連接段和核心耗能段之間設25 °平緩過渡段[2]，減少截面突變產生的應力集中。在過渡段粘貼泡沫塑料，保證芯材在拉壓作用下能夠縱向自由伸縮。芯材中段設置限位卡，防止約束單元沿豎向發生剛體位移。限位卡與核心段截面坡角采用16 °進行過渡, 避免此處產生較為嚴重的集中應力。

2 鋼框架設計

設計1 棟5 層鋼框架結構模型，通過運用SAP2000 有限元軟件，對未加支撐的原結構模型與增設新型屈曲約束支撐的結構模型進行有限元模擬分析，研究新型屈曲約束支撐對框架抗震性能的影響。模型尺寸相同，均為5 層一字型鋼框架，各層層高均為4 m，結構總高度為20 m，結構平面圖如圖2 所示。梁柱均采用Q235H 型鋼，連接方式均采用剛性連接，樓板混凝土等級為C30。

主要構件尺寸見表1，設計地震分組為第1 組，場地類別為II 類，結構抗震設防8 度，雪荷載0.40 kN/m2，基本風壓0.3 kN/m2，1 層～5 層恒荷載均為5 kN/m2，1 層～4 層活荷載為2 kN/m2，頂層活荷載為0.5 kN/m2。結構立面圖如圖3 所示。

表1 框架結構尺寸mm

圖2 結構平面圖（mm）

圖3 結構立面圖（mm）

3 時程分析

3.1 地震波選取

地震波具有很強的隨機性，采用不同的地震波進行分析時，即使在峰值加速度相同，計算結果仍會存在很大偏差。為使計算結果更加合理，要求選取的地震波不少于2 組實際強震記錄和1 組人工波[3]，本文共選取3 條地震波用于結構動力分析，分別為2 條天然波Kobe 波（簡稱KB 波）、WenChuan波（簡稱WC 波）和1 條人工波LanZhou 波（簡稱LZ波）。時程分析是更為真實的結構動力分析，并且可以輸出地震作用下每一時刻的結構內力及位移響應的全過程[4]。本文通過運用SAP2000 有限元軟件在3 種地震波作用下對鋼框架結構與支撐框架結構進行多遇地震下時程分析, 通過測量結構層間位移、頂層位移及頂層加速度,研究新型屈曲約束支撐對鋼框架結構抗震性能的影響。

3.2 層間位移角

根據《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016 版）[5]要求，在多遇地震下，地震波峰值加速度采用0.07 g/s2。結構在3 種地震波作用下的層間位移角如圖4～圖6 所示。

由圖4～圖6 可知,兩結構層間位移角曲線發展趨勢較為一致，每組地震作用下層間位移角最大值均滿足限值要求，層間位移角最大值都出現在結構中間層，支撐-框架結構層間位移角略小于鋼框架結構。

圖4 KB 波作用下結構層間位移角曲線

圖5 WC 波作用下結構層間位移角曲線

圖6 LZ 波作用下結構層間位移角曲線

3.3 結構頂點位移

2 條天然波的持時設定為20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0，所以取其前10 s 進行分析。結構在3 種地震波作用下的頂層位移如圖7～圖9 所示，圖中橫坐標表示時間，s；縱坐標表示頂層位移，mm。

由圖7～圖9 可知，兩結構在3 種地震波作用下頂點位移曲線發展趨勢較為一致，每組地震作用下BRB-KJ 結構頂層位移最大值較KJ 結構均有明顯減小，且BRB-KJ 結構頂層位移達到峰值的時間均滯后于KJ 結構。

3.4 結構頂點加速度

2 條天然波的持時設定為20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0，所以取其前10 s 進行分析。結構在3 種地震波作用下的頂層加速度如圖10～圖12 所示，圖中橫坐標表示震動持續時間，s；縱坐標表示結構頂層加速度，g。

由圖10～圖12 可知，兩結構在3 種地震波作用下頂點加速度發展趨勢較為一致，每組地震作用下BRB-KJ 結構頂點加速度最大值較KJ 結構均有明顯減小，且BRB-KJ 結構頂點加速度達到峰值的時間均滯后于KJ 結構。

圖7 KB 波作用下結構頂層位移時程曲線

圖8 WC 波作用下結構頂層位移時程曲線

圖9 LZ 波作用下結構頂層位移時程曲線

圖10 KB 波作用下結構頂層加速度時程曲線

圖11 WC 波作用下結構頂層加速度時程曲線

圖12 LZ 波作用下結構頂層加速度時程曲線

4 結論

本文運用SAP2000 有限元軟件在多遇地震作用下進行抗震性能分析，研究切削型屈曲約束支撐對鋼框架抗震性能的影響，得出以下結論。

1）結構均在中間層出現最大層間位移角，支撐-鋼框架結構最大層間位移角為0.01，小于鋼框架結構最大層間位移角0.016，可見增加新型屈曲約束支撐能有效提高結構剛度。

2）支撐-鋼框架結構中的頂層位移和頂層加速度達到峰值的時間大多都滯后于鋼框架結構，并且前者頂層位移和頂層加速度較鋼框架結構減小35.8%和43.7%，說明屈曲約束支撐可以有效減小動力響應，起到耗能減震的作用。

3）加設新型屈曲約束支撐鋼框架結構在WenChuan 波下頂點位移、頂點加速度等抗震參數較原鋼框架結構減少最明顯，可見新型屈曲約束支撐在WenChuan 波能可發揮最大作用。

4）切削十字型屈曲約束支撐采用輕骨料混凝土為填充材料，有效降低了自重，且造價低廉，構造簡單，可應用于實際工程。