淺談屈曲約束支撐在工程實際中的應用

郭曉麗GUO Xiao-li

（河南省建筑設計研究院有限公司，鄭州450000）

1 工程概況

河南省鄭州市某銀行營運生產用房建設項目為地下二層，地上十層，結構形式為設置有屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架結構，屋面結構標高為42.600m。抗震設防烈度為7 度，基本地震加速度為0.15g，場地土類別為三類，建筑抗震等級為二級。

2 結構布置

地下及地上均為普通梁板結構，其中在樓、電梯間等對建筑影響較小的位置設置的屈曲約束支撐（簡稱BRB）。

3 結構分析

3.1 性能目標要求

本工程屬于丙類建筑，具體設計指標和不同抗震水準下結構性能目標細化詳見表1。

表1 結構性能目標

3.2 計算分析

3.2.1 本工程是鋼筋混凝土框架結構，使用有限元分析軟件ETABS 建立結構模型，并進行計算與分析

為了校核所建立的結構模型的準確性，將ETABS 和PKPM 建立的非減震結構模型計算得到的質量、周期和振型分解反應譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進行對比，如表2、表3、表4 所示。表中差值為：（|ETABSPKPM|/PKPM）*100%。

表2 結構質量對比單位結構質量對比 單位：Ton

表3 結構周期對比（前三階） 單位：s

表4 基底剪力對比 單位：kN

綜合以上各表可知，用于本工程減震分析計算的ETABS 模型與PKPM 模型，在結構質量、周期和基底剪力方面的差異很小，因此，兩模型基本上是一致的。

3.2.2 采用時程分析法時，選取了實際2 條強震記錄（T1、T2）和1 條人工模擬（R1）加速度時程曲線

3.2.3 在ETABS 分析中，彈性時程分析只考慮阻尼器的非線性、結構本身假設為線性

小震下減震結構最大層間位移角X 向為1/906，Y 向為1/807，均小于規范限值1/550，滿足要求。小震下阻尼器性能，提取其中單個阻尼器的內力—變形曲線，以查看阻尼器在小震作用下的滯回性能，以kN，mm 為單位，見圖1。由阻尼器參數及阻尼器出力情況可知，小震作用下，所有的阻尼器均未發生屈服，還處于彈性狀態。

圖1 屈曲約束支撐的滯回曲線

3.2.4 大震彈塑性時程分析

3.2.4.1 整體指標

根據規范要求，大震下的計算結果取三條地震波的包絡值，由計算可知結構X 向的最大層間角為1/157（如圖2），Y 向的最大層間角為1/146（如圖3），均小于規范限值1/50，滿足要求。

圖2 X 向樓層層間位移角

圖3 Y 向樓層層間位移角

3.2.4.2 結構在大震彈塑性分析中的最終出鉸狀態

大震時框架梁屈服狀態達到B，即輕微屈服，在該情況絕大部分框架柱仍有較好彈性，塑性鉸出現于框架梁兩邊，同時其損傷要高于前者，這滿足“強柱弱梁”抗震規范，損傷機制合理。

1.23 排除標準 ①慢性胰腺炎患者；②入院前30 d內接受過生長抑素治療者；③伴有心、肝、腎等臟器功能嚴重障礙者；④對本研究藥物過敏者。

3.2.4.3 大震阻尼器性能

提取阻尼器的內力和位移，可以看出，絕大部分BRB在大震作用下均屈服耗能（見圖4）。

圖4 屈曲約束支撐的滯回曲線

3.2.5 阻尼器子結構承載力驗算

與支撐相連接的框架梁均設置自動M3 鉸，與支撐相連接的框架柱均設置P-M2-M3 纖維鉸，以考察各消能子框架在大震作用下的性能水平是否能達到既定的性能目標。為確保消能子結構能充分發揮作用，《建筑消能減震技術規程》和《建筑消能減震應用技術規程》中對子結構的設計均提出一定的要求：消能子結構中梁、柱和墻構件宜按重要構件設計，并應考慮罕遇地震作用效應和其他荷載作用標準值的效應，其值應小于構件極限承載力。圖5 為構件承載力與變形曲線，由圖可知，C 點對應的是構件的最大承載力，若軟件中構件的塑性鉸狀態超過C 點則認為構件的地震效應超過其極限承載力，則不滿足設計要求，否則反之。根據各消能子框架在RG1 波、TH1 波、TH2 波最后一步的出鉸情況，可以看出，在大震作用下與支撐相連接的框架梁柱均處于B 狀態，未及C 狀態，表明在大震作用下與支撐相連接的框架梁柱受力均小于構件極限承載力。

圖5 承載力與變形曲線

3.2.6 附加阻尼比計算

3.3 計算結論

本報告對結構整體模型進行彈性和彈塑性時程分析，主要結果總結如下：

①多遇地震下，采用屈曲約束支撐（BRB），可以提供剛度，結構X 向和Y 向最大位移角分別為1/906、1/807，滿足規范要求。

②罕遇地震下，結構X 向和Y 方向最大位移角分別為1/157、1/146，滿足規范要求；框架梁產生塑性鉸，少量底層框架柱產生塑性鉸，整體結構損傷機制合理，滿足強柱弱梁的目標。屈曲約束支撐大震下大部分屈服，發生塑性變形，其滯回曲線飽滿，耗散了大量地震作用，保護主體結構。罕遇地震下，子結構內力小于極限承載力，滿足子結構設計的性能目標。

4 有屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架結構

①相比于其他抗側力構件，它不僅具有著較低成本優點，同時也可以很好地增強項目整體結構承載及剛度，另外不會對內部采光、空間分割等造成不便。從實際來看，屈曲約束支撐（簡稱BRB）主要是由芯材、套筒內無粘結材和外套筒所構成。目前這一類型支撐有著較多的形式，然后其原理大同小異，即借助于外套筒強剛度來防止中心芯板出現屈曲。BRB 內部為芯材，通常外部罩著鋼套管并在腔內填充入具有一定強度和密實性的材料。如此結構能夠保證芯材不論是受壓或者受拉中均可以實現屈服。另外，出于降低芯材受軸力作用而傳導到填充材料導致后者產生泊松效應，繼而造成前者出現膨脹現象，因而芯材與砂漿二者中間要設置十分小的空氣層（或者是無粘結材料）。在歐美等國家屈曲約束支撐有著較為廣泛地應用，目前我國正在逐步推廣該體系，并從實際項目情況來看效果還不錯。與常規鋼支撐相對比，屈曲約束支撐不僅沒有失穩破壞情況，并且還可以確保鋼支撐受壓受拉性能同樣，這對于提升鋼材利用率大有幫助。另外，該支撐可以作為項目結構耗能原件，這可以起到保險作用。最后，該支撐還具有耗能高、結構延性佳，施工方便簡便效率快等優點。

②屈曲約束支撐的主要應用形式有一字型、V 字型、人字型，可以結合建筑的功能靈活布置在合適的位置。本項目的支撐形式主要采用的是一字型斜撐和人字型支撐。

③屈曲約束支撐布置的對應位置均為樓、電梯間、衛生間等對建筑功能及方案效果影響較小的地方，且根據對應位置建筑功能可靈活選擇合適的支撐布置形式。一方面利用支撐在小震下為結構主體提供剛度，以減小結構構件的截面尺寸；另一方面利用支撐在大震下的耗能功能實現規范所要求的三水準設防目標，符合國家關于消能減震的發展理念。

5 采用常規結構設計對比

①項目結構特點：該項目為回字形建筑，平面及豎向均有不規則內容：平面：a、中心部位樓板開洞，b、二層平面有較深凹槽，c、樓、電梯間均在房屋左側角部位置，d、邊跨框架柱在水平及垂直方向有角度（形成近似平行四邊形），e、在具有偶然偏心的規定水平力作用下，樓層兩端抗側力構件層間位移的最大值與平均值的比值大于1.2；豎向：a、豎向收進（有兩層裙房）。

②框架結構：在進行結構整體指標分析時，層間位移角如果控制在規范允許的范圍之內（小于1/550），需要建筑物周邊框架柱截面控制在1400×1400mm，梁截面控制在600×800mm，影響建筑樓、電梯間的空間使用，房間內大尺寸框架柱同樣影響房間的功能，極大的限制了建筑方案的實現，甚至需要對方案進行修改。

③框架-剪力墻結構：由于建筑方案對房間使用功能及布局均要求較高，造成剪力墻上下無法對應，很大程度上限制了結構剪力墻的布置，在有限的空間布置上，剪力墻的厚度較大，相應的剪壓比超限問題、及剪力墻周邊框架柱配筋超限較難以解決，且由于地下室車位及其他功能限制，地上的剪力墻無法落地，造成在地下室頂板出現轉換，造成成本的相應增加。

④設置普通鋼支撐的框架結構：采用普通支撐進行設計時，小震下有個別普通支撐出現了穩定性問題，中大震下普通支撐穩定性問題更為突出，這樣整個結構在中大震下性能會大打折扣。而按照同時滿足剛度和承載力的準則將普通支撐替換成屈曲約束支撐。屈曲約束支撐如前所述，不存在穩定性問題，其在受拉受壓時性能一致。故將普通支撐替換成屈曲約束支撐后，結構在小中大震下不存在穩定性問題，且屈曲約束支撐在中大震作用下開始屈服耗能，成為結構的第一道防線，起到保護主體結構的作用，結構的抗震性能會得到顯著提高。

6 經濟性、適用性分析

①通過現澆混凝土框架結構與設置有屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架結構進行簡單的經濟對比，設置支撐后框架柱、框架梁截面尺寸均有減小，根據目前市場上的綜合造價，一立方混凝土費用約1500-2000 元（其中包含鋼筋、人工、措施費等綜合費用，按鄭州目前市場價取費）。目前屈曲約束支撐生產廠家相對增多，市場價格趨于穩定，經和多個廠家了解價格，支撐價格約為1-3 萬（具體價格與支撐承載力及尺寸有關），本項目設置支撐與傳統框架結構相比較，成本基本持平。

②傳統框架結構，框架柱梁截面均較大，一方面不利于建筑功能的實現；另一方面甚至因為結構構件的尺寸問題造成建筑方案的退讓和修改，改變了方案的設計初衷。設置支撐的框架結構，均設置在樓、電梯間、衛生間等位置，對建筑功能及使用感影響不大，更有利于建筑方案的落地，也更優化建筑空間的使用。

③對于常規高層框架結構，可利用支撐靈活布置的優勢，合理利用建筑空間，優化原有結構耗能機制，減少整體結構用鋼量，同時在滿足結構相關規范的條件下，使得建筑抗震性能得到較大優化與提升，也符合國家鼓勵和推行消能減震技術的初衷和要求。

7 結束語

2021 年9 月1 日國家正式頒布實施的《建設工程抗震管理條例》中，對于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的重要建筑、重點設防類建筑均提出采用隔震減震等技術的要求，同時國家鼓勵在以上區域以外的建設工程中采用隔震減震等技術，提高抗震性能。減震隔震技術越來越走入設計人員的視野中，但是對于《條例》重點區域范圍外的常規公共類建筑，較少采用減震隔震技術。通過上述項目的計算、構造、經濟性、適用性等各項分析，不難看出，對于常規辦公等公共建筑，屈曲約束支撐由于其設置的靈活性，既能滿足結構抗震設計三水準的要求，優化了抗震設計性能，又解決了建筑方案對空間的需求，同時由于屈曲約束支撐的逐漸廣泛應用，使其質量及價格趨于穩定，經濟性較好，因此，在今后設計中，對于普通抗震設防地區的常規辦公建筑可優先考慮屈曲約束支撐的使用。