防屈曲耗能支撑（BRB）在某建筑加固中的应用

王艳武（河北省建筑科学研究院，河北　石家庄　050021）



防屈曲耗能支撑（BRB）在某建筑加固中的应用

王艳武
（河北省建筑科学研究院，河北石家庄050021）

摘要：使用防屈曲耗能支撑（BRB）对某混凝土框架结构进行了加固，并通过ANSYS与MIDAS两种有限元软件，对加固前后的结构进行了多遇、罕遇地震作用下的结构响应仿真分析，结果表明：多遇、罕遇地震下，加固后结构层间位移角均满足规范要求，有效减弱主要构件塑性铰的出现，保证了结构整体安全性。

关键词：防屈曲耗能支撑，结构加固，耗能减震，时程分析

0　引言

在对既有混凝土框架结构的升级改造、加固时，经常遇到结构抗震能力、抗侧移刚度不足的问题。根据现行的规范［1］传统加固方法有增设普通钢支撑体系法、增大截面加固法、外包型钢加固法等，主要是提高结构刚度和强度这样“硬抗”的方法，然而地震作用与结构特性密切相关，随着结构刚度的增加而增强（尤其在高设防烈度区域），“硬抗”不仅造成建筑材料用量增加，而且还使劳动力成本增加、工期延长，很可能还会导致地震作用下主要受力构件破坏增大，震后难以修复。

为此，国内外专家学者提出了新型防屈曲耗能支撑（BRB）。BRB主要由核心单元、约束单元及滑动机制单元组成，解决了传统支撑受压屈曲问题，并具有经济性好、易修复、连接方便、设计灵活等优点。

本文主要对某一混凝土框架结构使用防屈曲耗能支撑（BRB）进行加固，联合使用ANSYS，MIDAS两种有限元软件对加固前后的结构进行多遇、罕遇地震作用下的结构响应仿真分析，尤其对BRB的性能做了分析说明。

1　工程概况

某建筑物约建于2005年，为地上4层混凝土框架结构，楼（屋）面板均为混凝土现浇板。该建筑物1层层高为5.2 m，2层～4层层高为3.6 m，梁最大跨度7.8 m，建筑总面积为1 451 m2。现将该建筑物改造升级为办公楼，建筑结构模型如图1所示。改造升级后建筑物1层为资料室，2层～3层为办公室，4层为会议室和办公室混合，楼梯间位于建筑物角部。

图1　办公楼结构模型

结构计算参考现行规范［1-4］，相关参数如下：

1）结构形式：地上4层混凝土框架结构，楼（屋）面板均为混凝土现浇板。

2）材料信息：1层、3层及4层混凝土梁柱构件抗压强度为C20；2层混凝土梁柱构件抗压强度为C25；楼（屋）面板混凝土抗压强度为C20，厚0.1 m。

3）地震及场地信息：场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为2组，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计特征周期为0.4 s，建筑结构安全等级为二级，重要性系数为1.0。

4）荷载信息：该建筑物地面粗糙度为C类。基本风压为0.3 kN/m2，地形修正系数1，迎风面体型系数0.8，背风面体型系数-0.5。楼（屋）面荷载依据规范设定。

按照规范［3］，多遇地震作用下层间位移角极限值为1/550，经由MIDAS计算结果显示建筑物1层～3层最大层间位移角均超限。

2　有限元模型的建立

MIDAS建模时，梁和柱采用梁单元，楼面采用板单元，墙面荷载均布在下部的梁上。对应的ANSYS建模，依据规范［3］对荷载的规定，将所需恒荷载和活荷载按比例进行组合计算后以附加质量形式输入结构模型中来完成建模。梁和柱都使用Beam189高阶梁单元，楼面使用Shell281高阶壳单元，质量分布都采用ADMSUA附加质量的方式。距梁0.001 m处建立新梁，以此来附加由墙面荷载转化的质量，然后耦合近距离的所有节点，使同一位置各梁一体化，达到与MIDAS梁上附加墙面荷载一致的效果。

3　有限元模型的对比验证

为验证两种有限元模型建模方式是否保证了模型主要参数未发生较大变动，选定未使用BRB加固的模型，将ANSYS，MIDAS的模型进行了对比。结果显示：模型各层质量和总质量相对误差在0.1%内，模态分析前9阶各阶周期相对误差最大6%，由此可见，两种软件建立的有限元模型基本一致，具有良好的适用性。

4　地震波选取

鉴于规范［3］中第5.1.2条规定，本文选用两组天然波和一组人工波：San Fernando，El Centro，AW915，各地震波加速度时程曲线如图2所示。多遇、设防、罕遇地震下加速度峰值分别为70 cm/s2，200 cm/s2，400 cm/s2。多遇地震下，三种转换地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线的关系如图3所示，对应于结构前三阶主要振型的周期点上相差分别为19.1%（T1），14.8%（T2），17.8%（T3），符合“统计意义上相符”的规定。

5　BRB支撑设置

一共布置18个8种不同参数的BRB支撑，具体布置位置见图4。

图2　地震波加速度时程曲线

图3　规范谱与地震波谱对比图

图4　BRB布置具体位置显示图

6　多遇地震分析

6.1模态分析

ANSYS，MIDAS两种仿真软件无BRB和有BRB有限元模型的前三阶模态数据详细对比见表1，表2。由此可知，BRB加固后结构的模型周期有所改观。

表1　MIDAS有无BRB模态对比

表2　ANSYS有无BRB模态对比

6.2层间位移角检验

依据规范［4］，MIDAS分别计算恒载工况、活载工况、恒载+ 0.5活载工况、X向风荷载、Y向风荷载、X向水平地震荷载工况、Y向水平地震荷载工况7种工况下的层间位移和层间位移角。结果显示，均满足规范［3］要求。

6.3时程分析结果

限于篇幅和简洁性的要求，本次多遇地震时程分析结果只随意选择San Fernando波进行对比分析。非线性时程分析均采用直接积分法，结构阻尼使用瑞利阻尼，阻尼比均取0.05。依据规范［3］，将地震波的峰值调整为70 cm/s2。各层层间位移角最大值见图5，结果显示层间位移角满足规范［3］层间位移角极限值1/550的要求。

图5　ANSYS，MIDAS两种模型各楼层最大层间位移角

7　罕遇地震时程分析

三组罕遇地震波作用下BRB加固与否两种有限元模型各层最大层间位移角分别如图6～图9所示。

图6　X向各层最大层间位移角ANSYS结果

图7　Y向各层最大层间位移角ANSYS结果

图8　X向各层最大层间位移角MIDAS结果

由图6～图9可知，各层间位移角都在1/100以内，完全满足规范［3］1/50的要求，并且加固的结构层间位移角整体呈减小趋势，说明加固后有效减弱了结构的地震响应。其中ANSYS，MIDAS仿真分析结果显示层间位移角最大分别减小54.96%，49.03%。

图9　Y向各层最大层间位移角MIDAS结果

8　多遇、罕遇地震下BRB性能分析

提取MIDAS仿真中San Fernando地震波对应多遇、罕遇地震波作用下7号BRB支撑的变形—力滞回曲线，见图10。其他BRB支撑的滞回曲线与7号BRB的相似，在此不再罗列。对比可知：1）多遇地震作用下，整个地震时间段内BRB基本都处于弹性阶段；2）罕遇地震作用下，BRB滞回曲线很饱满，耗能充分，很好的体现出支撑在大震时既起到增加结构附加刚度的作用，又有耗能减震的作用；3）罕遇地震作用下，最外围较大位移幅值的滞回环比较稀疏，不是主要耗能部分，有效抑制了疲劳破坏的趋势（BRB工作状态频繁接近强度极限的话，很容易造成往复疲劳破坏）。

图10　S波在多遇、罕遇地震下7号BRB支撑滞回曲线

9　结语

基于BRB加固设计方法，联合使用ANSYS和MIDAS两种常用有限元分析软件，以相关规范为依据，对BRB支撑加固前后的结构进行抗震验算。对结构分析可以得出结论：1）多遇、罕遇地震下，加固后结构层间位移角均满足规范要求；2）在罕遇地震下，层间位移角最大减小约50%，有效减弱主要构件塑性铰的出现，保证了结构整体安全性。

参考文献：

［1］GB 50367—2013，混凝土结构加固设计规范［S］.

［2］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［4］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

Buckling Restrained Brace used in reinforcement of a building

Wang Yanwu
（Hebei Academy of Building Research，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：In this paper，a concrete frame structure is reinforced by installing Buckling Restrained Brace（BRB）.The structure responses before and after reinforcement were analyzed under multi and rare earthquake by combination of finite element software ANSYS and MIDAS.The results show that，displacement angles between each two neighboring layers of the structure meet the standard under multi and rare earthquake，and the emergence of the plastic hinge is effectively reduced to ensure the overall safety of the structure.

Key words：Buckling Restrained Brace，structural reinforcement，energy dissipation，time-history analysis

中图分类号：TU352.1

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0034-03

收稿日期：2015-12-17

作者简介：王艳武（1975-），男，高级工程师