框架-支撐芯筒結構體系的耗能機制研究

傅大寶

（1.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080；2.中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080；3.福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司，福州 350108）

0 引言

框架-核心筒結構是目前高層建筑常用的一種雙重抗震結構體系。核心筒是體系的第一道防線，剛度較大，承擔體系絕大部分的水平剪力；外框架是第二道抗震防線，能夠在設防地震或罕遇地震作用下承擔核心筒墻肢屈服后傳遞來的剪力。而核心筒的連梁是結構體系第一道附加抗震防線［1］。實踐表明，連梁對框架-核心筒結構的抗震性能有顯著影響［2］。在實際工程設計中，由于連梁跨高比小，失效模式多為脆性的剪切破壞，耗能能力有限。為提高連梁的耗能能力，國內外學者做了許多改進工作，如雙連梁、寬連梁、設置交叉暗撐、梁中設縫等［3-6］。近年來，一些學者提出設置耗能元件提高連梁耗能能力。Fortney等［7］提出可更換的連梁，通過合理設置消能段，使連梁的塑性變形和損傷集中在消能梁段。同濟大學呂西林教授［8］通過振動臺試驗研究設置可更換梁和普通梁的兩個雙筒混凝土結構模型的振動特性和動力反應，結果表明，可更換連梁能夠將損傷集中可更換構件上，保證連梁混凝土部分完好。潘超和翁大根［9］通過在連梁跨中開縫，縫中設置鋼阻尼器來耗散地震能量。然而，在框架-核心筒結構體系下，無論采用普通鋼筋混凝土連梁還是耗能連梁，連梁的跨高比均較小（通常小于2.5），截面抗剪承載力限制了連梁的耗能能力。

框架-支撐芯筒結構是指采用支撐芯筒代替框架-核心筒的鋼筋混凝土核心筒所形成的一種結構體系。支撐芯筒是由內框架柱、內框架梁和支撐組成。與傳統(tǒng)框架-核心筒結構相比，框架-支撐芯筒取消了連梁的設置，避免出現(xiàn)延性較差的剪切破壞。目前，國內一些實際工程已采用框架-支撐芯筒結構，如福建閩投營運中心等［10-11］。然而現(xiàn)有文獻對框架-支撐芯筒的研究相對較少，特別是高烈度地震區(qū)的結構耗能機制。為此，本文對框架-支撐芯筒結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，探討框架-支撐芯筒結構的耗能機制，并與框架-核心筒結構進行對比，同時采用屈曲約束支撐（Buckling Restrained Brace，BRB）代替框架-支撐芯筒結構的鋼支撐，研究BRB的耗能能力。

1 結構模型設計

對某一實際工程進行簡化，設計了1個框架-支撐芯筒結構（簡稱“模型A”）和1個框架-核心筒結構（簡稱“模型B”）。結構共40層，層高均4 m，總高160 m。模型A標準層平面和支撐立面布置如圖1所示，構件尺寸如表1所示。樓板厚為120 mm。支撐芯筒的鋼支撐兩端設置為鉸接。內、外框架柱承擔軸力較大，由于軸壓比限制，故設計為方鋼管混凝土柱。鋼材強度等級為Q420，構件縱筋及箍筋的強度等級分別為HRB400和HPB300。柱、墻混凝土強度等級：1～10層為C80，11～20層為C70，21～40層為C60。梁、板混凝土強度等級為C60。樓面恒載5 kN/m2（含樓層自重），活載2.5 kN/m2。結構抗震設計參數(shù)：設防烈度8度（0.2g），場地類別Ⅱ類，地震分組為第一組，場地土特征周期為0.35 s。

圖1 框架-支撐芯筒結構模型Fig.1 Frame braces-tube structure model

采用盈建科軟件進行結構設計。為便于比較，對2個模型進行優(yōu)化（表1中構件尺寸均為優(yōu)化后結果），使模型在滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的基礎上，盡可能減少耗材。結構層間位移角和構件軸壓比是結構抗震設計的兩項重要控制指標。在結構優(yōu)化過程中，要求層間位移角和軸壓比接近規(guī)范限值。框架-支撐芯筒結構的層間位移角參照GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》中框架-支撐結構的限值（1/300）。

表1 結構構件尺寸Table 1 Structural components size mm

根據(jù)計算結果，框架-核心筒結構的最大層間位移角為1/748，接近規(guī)范限值1/750；剪力墻最大軸壓比為0.58，接近規(guī)范限值0.60。框架-支撐芯筒結構的最大層間位移角為1/579，雖然與框架-支撐結構層間位移角限制存在一定差距，但此時層間位移角進一步降低，會使得鋼支撐在彈性階段出現(xiàn)屈曲；鋼管混凝土柱最大軸壓比為0.70，接近規(guī)范限值0.70。因此，認為兩個模型已達到較優(yōu)的設計結果。

表2為結構設計結果。從表中可以看出，框架-支撐芯筒的用鋼量比框架-核心筒結構高61.6%，混凝土比框架-核心筒結構低76.1%。總體上看，框架-支撐芯筒結構消耗材料與框架-核心筒結構相當。此外，框架-支撐芯筒結構的基本周期低于框架-核心筒結構，彈性抗側剛度高于框架-核心筒結構。表中彈性抗側剛度為倒三角橫向荷載作用下基底剪力與頂面水平位移的比值。

表2 結構設計結果Table 2 Structure design results

建立結構的數(shù)值計算模型。建模過程中框架梁和連梁單元采用集中鉸模型。框架梁兩端設置彎矩鉸；連梁兩端設置彎矩鉸，中間設置剪切鉸。柱和剪力墻采用纖維束模型。鋼筋本構關系采用理想彈塑性模型，混凝土本構關系采用Mander模型。結構采用瑞利阻尼，將0.2倍和0.9倍第一周期對應的阻尼比設為4%。選取7條地震波進行結構罕遇地震下的彈塑性時程分析。時程分析所用的地震波加速度峰值為400 cm/s2。地震波反應譜曲線與規(guī)范反應譜的對比如圖2所示。地震波符合JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的選波要求。

圖2 地震波加速度反應譜曲線Fig.2 Acceleration response spectra of seismic waves

2 耗能機制分析

2.1 結構的耗能分析

表3為7條地震波作用下結構各類構件的耗能平均值分布情況。從表中可以看出，模型A和模型B的構件塑性耗能與總輸入能量的比值均在30%左右。進一步比較各類構件的耗能發(fā)現(xiàn)，框架-支撐芯筒結構（即模型A）的外框架柱、外框架梁和鋼支撐的構件塑性耗能各約占1/3，耗能占比相當；而框架-核心筒結構的核心筒耗能占結構的97.5%以上，其中連梁耗能占88.2%，可見，框架-核心筒結構的連梁起到了很好的耗能作用，而框架-支撐芯筒結構的構件塑性耗能較分散。

表3 結構彈塑性耗能Table 3 Structural inelastic energy dissipation

分析原因，框架-支撐芯筒結構的鋼支撐主要按照軸心受壓穩(wěn)定進行彈性階段設計，在彈塑性階段，雖然鋼支撐的長細比較大，受壓發(fā)生屈曲，但受拉仍然保持彈性，使得鋼支撐只能利用受壓屈曲進行塑性耗能，整體塑性耗能能力有限。

2.2 構件損傷情況

采用塑性鉸變形角反映構件損傷程度。在罕遇地震作用下，兩個模型的構件均出現(xiàn)了不同程度的破壞，具體表現(xiàn)為：

（1）支撐和連梁的損傷對比：鋼支撐是框架-支撐芯筒結構最主要的抗側力構件，在罕遇地震作用下最先出現(xiàn)損傷。支撐的損傷集中在下部和中上部樓層，其他樓層的支撐保持彈性工作狀態(tài)。連梁主要用來傳遞相鄰墻肢的剪力，在罕遇地震下連梁最先出現(xiàn)損傷，且大部分的樓層連梁表現(xiàn)為彎曲塑性鉸破壞，其中底部樓層連梁傳遞剪力較大，出現(xiàn)脆性的剪切鉸破壞。

（2）外框架梁的損傷對比：在罕遇地震作用下，大部分樓層的外框架梁都出現(xiàn)了損傷。由于跨高比大，框架梁表現(xiàn)為彎曲塑性鉸破壞。框架-支撐芯筒結構外框架梁的損傷程度與框架-核心筒結構相當。

（3）其他構件損傷對比：框架-支撐芯筒結構的內框架梁、內框架柱和框架-核心筒結構的墻肢、外框架柱損傷較小，絕大部分還處于彈性狀態(tài)。

3 屈曲約束支撐的應用分析

從表2和圖3可以看出，當框架-支撐芯筒結構鋼支撐截面較小時，彈性階段的受壓穩(wěn)定性不滿足要求。當增加鋼支撐截面尺寸，會使得結構體系剛度增加，導致框架-支撐芯筒結構的彈性剛度和極限承載力明顯高于框架-核心筒結構，使得框架-支撐芯筒結構的總輸入能量高于框架-核心筒結構。

基于此，為防止框架-支撐芯筒結構的鋼支撐發(fā)生屈曲，采用BRB代替鋼支撐。為此，將模型A鋼支撐等截面替換成BRB，其他構件保持不變，得到模型C。另外，將BRB截面積適當減小，得到模型D。模型C和D的BRB芯材截面尺寸如表4表所示。BRB的芯材采用Q345，屈服后剛度取0.02；屈服指數(shù)取10。

表4 BRB芯材截面尺寸Table 4 Steel core cross-section area of BRB

根據(jù)盈建科軟件計算結果，模型C的基本周期為3.992 s；最大層間位移角為1/582；最大軸壓比為0.69。模型D的基本周期為4.968 s；最大層間位移角為1/454；最大軸壓比為0.62。

從表3模型C和模型D的彈塑性耗能結果，可以看出：

（1）對比模型C和模型A，采用BRB等截面替換鋼支撐后（模型C），結構總體耗能略微降低，但BRB的耗能占比與鋼支撐相當。可見，BRB雖然等截面替代鋼支撐，但承載能力仍然較高，耗能能力未充分發(fā)揮。

（2）對比模型D和模型C，縮小BRB芯材尺寸后，模型D的結構剛度降低，總輸入能量也隨之降低。同時，BRB的滯回耗能（65.9%）明顯高于模型C（36.9%），而其他構件的耗能低于模型C。可見，BRB耗能能力的提高能夠有效保護其他構件。

4 結論

通過上述研究，得到如下結論：

（1）框架-支撐芯筒結構與框架-核心筒結構耗能機制的不同之處在于：框架-支撐芯筒結構的支撐是主要抗側力構件和耗能構件，但由于鋼支撐的承載力較高，不容易屈服，耗能能力有限；框架-核心筒結構的連梁是主要耗能構件，墻肢是主要抗側力構件，體系主要依靠連梁彎曲塑性鉸進行能量耗散。

（2）采用BRB等截面替換支撐芯筒的鋼支撐，框架-支撐芯筒結構的耗能機制基本保持不變，BRB無法起到很好的耗能作用。

（3）適當縮小BRB的芯材截面，降低BRB的屈服力，不僅能夠降低總體能量輸入，而且能夠將提高BRB的耗能占比，降低其他構件的塑性耗能，有效地保護了其他構件。可見，理想的框架-支撐芯筒結構宜設置部分或全部采用BRB替代鋼支撐。

（4）與框架-核心筒結構相比，框架-支撐芯筒結構的支撐采取兩端鉸接，具有震后易更換的優(yōu)點。