屈曲約束支撐在鋼筋混凝土框架結構中的應用研究

田歡

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

引言

屈曲約束支撐是一種有效的耗能減震構件，它主要由耗能內芯和外圍約束構件兩部分組成，其力學性能由內芯的材質和截面面積決定。屈曲約束支撐可以為結構提供必要的抗側剛度，又可為結構提供附加阻尼，有效減小結構在地震作用下的響應。與傳統普通鋼支撐相比，屈曲約束支撐不容易發生失穩破壞，在受拉和受壓時性能一致[1]。此外，屈曲約束支撐有延性性能好，耗能能力優良，施工速度快，質量可靠等優點。

規范規定醫院、幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂為重點設防類建筑，安全等級為一級[3]，因此設計時要提高結構的安全儲備，提高結構的抗震性能。

本文以某高烈度區醫院為例，通過設置屈曲約束支撐來提高結構的抗震性能。基于ABAQUS軟件建立帶有屈曲約束支撐的減震結構模型，進行結構模態分析和動力彈塑性時程分析，研究結構的動力特性和減震效果。

1 工程概況

圖1給出了某工程設置屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架有限元模型，共4層，長度為85.8m，寬度為78.04m，高度為21.4m。場地設防烈度為8度0.3g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組。

圖1 結構有限元模型

對減震結構進行反應譜分析，求出兩個方向每個支撐軸力的最大值，最終取小震下支撐力的1.5倍為支撐的屈服承載力。經過反復試算，優化設計，取屈曲約束支撐的屈服承載力為2500kN。屈曲約束支撐在小震下不屈服，為結構提供剛度，中、大震下屈服耗能，減小主體結構的響應。

2 模態分析

在ABAQUS軟件中建立減震結構的有限元模型進行模態分析。表1給出結構前3階振型的自振周期，前三階振型圖詳見圖2-圖4，由計算結果可知，結構兩個主軸方向平動周期接近，兩個方向剛度接近，設計合理，結構各項指標滿足規范要求。

表1 結構自振周期

圖2 第一振型圖

圖3 第二振型圖

圖4 第三振型圖

3 罕遇地震下結構彈塑性時程分析

基于ABAQUS軟件對減震結構進行彈塑性時程分析，根據《建筑抗震設計規范[4]》要求，選用的地震波為與此場地相應的一組人工波和兩組天然波，如圖5-圖7所示。各條地震波作用下結構的層間位移角見表2。

表2 彈塑性層間位移角

圖5 人工波加速度記錄時程

圖6 天然波1加速度記錄時程

圖7 天然波2加速度記錄時程

從表中可以看出，三組波作用下：

彈塑性層間位移角的最大值為1/64，小于規范位移限值1/50的要求。

4 構件損傷分析

框架柱、框架梁的損傷程度基于混凝土壓應變和鋼筋的拉應變來判斷，本文定義構件損傷階段如下所示。

當構件的變形位于彈性位移和屈服位移之間時，為輕微損傷。

當構件的變形位于屈服位移和近似極限荷載對應的位移之間時，為中度損傷。

當構件變形位于彈塑性變形限值的一半和90%的彈塑性變形限值之間時，為較嚴重損傷。

大于90%的彈塑性變形限值時，構件嚴重損壞。

對減震結構進行罕遇地震下彈塑性時程分析，圖8-圖10給出的是天然波1作用下結構構件的破壞情況。

圖8 天然波1作用下X=99.6m一榀框架損傷情況

圖9 天然波1作用下Y=46.8m一榀框架損傷情況

圖10 天然波1作用下Y=54.6m一榀框架損傷情況

從圖中可以看出，采用屈曲約束支撐后，大部分構件達到中度損傷階段，損傷程度較小。

框架柱的損傷程度高于梁，較嚴重破壞的柱主要集中在底層。

罕遇地震下屈曲約束支撐起到了很好的耗能作用，減小主體結構的地震響應，使設計更容易滿足規范要求。

5 結束語

本文以某高烈度地區醫院項目為例，分析鋼筋混凝土框架結構采用屈曲約束支撐后結構的動力特性及減震效果，基于通用有限元軟件ABAQUS進行了罕遇地震下動力彈塑性時程分析。通過本文的研究分析可以得到如下結論：

通過合理的布置屈曲約束支撐，可以使結構兩個主軸方向剛度接近，減小扭轉對結構的不利影響。

罕遇地震下結構的最大層間位移角為1/64，未超過1/50，滿足規范要求。

罕遇地震下結構大部分構件達到中等損傷階段，較少損傷較嚴重的部位主要集中在底層柱兩端，設計時底層框架柱應采取加強措施。

本文以高烈度區鋼筋混凝土框架結構設置屈曲約束支撐為例，通過罕遇地震下的分析，驗證了屈曲約束支撐的可行性和有效性，設置屈曲約束支撐能夠減小框架柱、框架梁的截面尺寸，使設計更容易滿足規范各項指標的要求，同時提高結構的抗震性能。