非规则防屈曲支撑的弹塑性抗震性能分析

沈小璞，张怀群，李其成

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省医药设计院，安徽 合肥 230022)



非规则防屈曲支撑的弹塑性抗震性能分析

沈小璞1，张怀群1，李其成2

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省医药设计院，安徽 合肥 230022)

对高烈度区非规则框架结构的层间位移角无法满足现行规范的要求，提出增设防屈曲支撑的方案。采用振型分解反应谱和弹塑性时程分析方法，对框架-防屈曲支撑结构进行抗震性能分析，探讨结构在地震作用下的动力响应。结果表明：在多遇地震作用下，增设防屈曲支撑可以增加结构的刚度，降低层间位移角；在罕遇地震作用下，防屈曲支撑的滞回曲线饱满，耗能良好，能减少地震响应。

防屈曲支撑；振型分解反应谱；弹塑性时程分析；地震响应

防屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace)是一种新型的耗能支撑，主要由三个部分构成：芯材、无黏结材料和外围屈曲约束机构，其构造见图1。防屈曲支撑通过特殊的构造，解决了普通支撑受压屈曲的问题，从而受拉和受压时均达到屈服但不屈曲，能较好地消耗输入到结构的地震能量，对结构起到“保险丝”的作用[1]。防屈曲支撑的研究起源于日本Yoshino对某一外围浇筑混凝土钢板的研究[2]。此后，Wakabayashi等提出在预制混凝土板里埋置一字形钢板支撑，利用预制混凝土板来防止发生屈曲[3]。Kimur等人最先对外围约束单元为方钢管、无黏结材料为混凝土、内核单元为一字形钢板的支撑进行试验研究，结果表明该组合试件屈服但不发生屈曲，具有良好的滞回性能[4]。目前，国内外对屈曲支撑的研究和应用逐渐增多。本文以云南芒市某咖啡厂生产车间框架结构工程为例，利用MIDAS GEN建立其三维模型，采用振型分解反应谱和弹塑性时程分析方法，对该框架-防屈曲支撑结构进行抗震性能分析，探讨结构在地震作用下的动力响应。

1　结构建模

1.1工程概况

某高层建筑位于云南省芒市，设计使用年限为50 a，结构安全等级为二级。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，该工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.3 g，设防地震分组第二组，场地类别为二类，场地特征周期值Tg为0.40 s，风荷载0.35 kN/m2。建筑主体为钢筋混凝土框架结构，平面呈矩形但每层都有收进属于不规则结构，该建筑地上5层，总高27.3 m。结构平面图如图2所示。图3为框架-防屈曲支撑结构的三维模型。

图2　结构平面图

图3　RC框架-防屈曲支撑的三维模型

1.2结构设计

梁柱板内受力筋均采用HRB400，箍筋同样采用HRB400，板厚除屋面板为120 mm，其余均为150 mm。梁、板、柱尺寸见表1。

表1　梁、板、柱设计尺寸(mm)

1.3纯框架结构的抗震性能分析

针对确定的结构方案，利用MIDAS GEN建立结构模型，进行多遇地震作用下结构的振型反应谱分析。根据反应谱分析结果，纯框架结构前三振型周期分别为T1=0.858 3(平动)、T2=0.735 1(平动)、Tt=0.478 5(扭转)。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比为0.56<0.9(周期比满足规范要求)；在地震作用下，框架结构X方向的层间位移角最大值为1/570，Y方向的层间位移角最大值为1/536；X方向最大位移28.16 mm，Y方向最大位移35.70 mm。规范要求的多遇地震作用下的层间位移角限值为1/550，该结构方案不能满足规范要求。

单纯采用框架结构无法满足规范要求，而且主梁的截面高已经达到1 000 mm。部分设计人员认为加混凝土框架支撑，依靠“硬抗”的传统设计，可以满足规范要求。此时，混凝土框架支撑的截面根据计算需要做到600 mm×1 300 mm。本文采用一种新型的屈曲约束支撑结构并验证其在高烈度地震区的优越性。

2　防屈曲支撑理论与方法

2.1屈曲支撑的布置

防屈曲支撑设置是根据建筑功能、结构形式和抗震设防等要求进行布置。其布置原则：

(1)地震作用下产生较大支撑内力的部位；

(2)地震作用下层间位移较大的楼层；

(3)宜在两个方向对称布置；

(4)宜采用单斜撑、人字形或者V形支撑。

经分析后，在结构1～5层适当位置沿结构的两个主轴方向分别设置人字形屈曲支撑，平面布置见图2。

2.2屈曲支撑数值模拟

在数值模拟中耗能减震单元是依靠边界条件中的非线性连接单元来实现的，非线性连接单元的类型有黏弹性耗能器、间隙、钩、滞后系统等。防屈曲支撑采用滞回系统进行模拟。滞回系统是由拥有单轴塑性特性的6个独立的弹簧构成，该系统被用于设置金属耗能减震装置的模型。

防屈曲支撑的力学模型采用Wen模型，其中Wen模型可以表示为：

F(d,z)=rku(t)+(1-r)Fyz

(1)

(2)

图4所示为防屈曲支撑力学模型。

图4　Wen塑性模型参数定义

2.3防屈曲支撑的设计参数

通过计算和分析，在1～5层对称设置防屈曲支撑，每层设置8个。设计参数见表2。

表2　防屈曲支撑的设计参数

3　多遇地震作用下弹性分析

3.1层位移和层间位移角

在多遇地震作用下，纯框架结构X方向的最大层间位移角为1/570，Y方向的最大值层间位移角为1/536。增设防屈曲耗能支撑后X方向的最大层间位移角为1/660，Y方向的最大值层间位移角为1/630。从图5和图6可以看出，加设防屈曲支撑后，可以加大结构的侧移刚度，降低楼层的侧向位移。

图5　楼层位移

图6　层间位移角

3.2楼层剪力

多遇地震作用下纯框架结构的基底剪力X向最大值为7 654 kN，Y向最大为6 640 kN；防屈曲支撑框架结构X向最大值为7 732 kN，Y向最大为6 703 kN。这是因为增加支撑后，增加了结构的刚度，吸收的地震能量也相应增加，但框架-防屈曲支撑结构各层的柱端剪力却依次降低，这说明布置支撑能够很好地降低构件内力，图7为两种结构各层柱端剪力之和对比图。由图7可知，纯框架结构的柱端剪力大于框架-防屈曲支撑结构。

4　罕遇地震下弹塑性时程分析

时程分析方法是通过求解结构的基本动力微分方程，得到结构在动力荷载作用下的基本响应。此方法的优点是可以通过每个时间增量的变形形状来反映结构的非线性特征，是一种更加真实的动力分析方法。

4.1地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定：进行动力时程分析时，应按照建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程。本文采用3条地震波时程包括两条天然波El cent、Taft和一条人工波。各波双向输入，结构X方向为主方向输入，Y方向为次方向输入。罕遇地震8度0.3 g峰值加速度取510 cm/s2。

4.2层间位移角

分析了8度罕遇地震作用下3种工况的结构层间位移角，见图8。

图7　楼层剪力对比

图8　罕遇地震作用下层间位移角

由图8可以看出：X向最大弹塑性层间位移角为1/107,Y向最大层间弹塑性位移角为1/130,均满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角不大于1/50的要求。

4.3防屈曲支撑的滞回性能

以El cent波为例，绘制C轴线的防屈曲支撑1～4层的滞回曲线，如图9所示。

图9　1～4层防屈曲支撑的滞回曲线

由图9可以看出：罕遇地震下，防屈曲支撑滞回曲线比较饱满，塑性变形能力很强，消耗了大量的地震能量，达到了耗能减震的目的。

4.4构件屈服状态分析

以El cent波为例，绘制结构在罕遇地震作用下的屈曲状态，见图10、图11。

图10　柱屈服状态图

图11　梁屈服状态(正立面)

从图10、图11可以看出：在罕遇地震作用后，结构只有部分构件出现了一定程度的屈曲，但是绝大多数的构件在罕遇地震作用下保持弹性。这说明增设防屈曲支撑之后，可以很好地吸收地震能量，使结构处于安全状态。防屈曲支撑良好的耗能特性使得结构在罕遇地震作用下能保持弹性变形，从而达到大震不倒的抗震要求。

5　结论

通过对云南省芒市某咖啡厂生产车间采用振型分解反应谱和弹塑性时程分析方法，探讨结构在地震作用下的动力响应，结论如下：

(1)在多遇地震作用下，进行弹性反应谱分析，结构层间位移角超过规范限值，通过增设防屈曲支撑后增加了结构的刚度且层间位移角满足规范要求，同时柱端剪力也得到了很大的降幅，降幅达11%，提高了结构抗震能力。

(2)罕遇地震作用下，通过非线性时程分析，结构的层间位移角最大值为1/107，满足规范1/50的要求。防屈曲支撑的滞回曲线可以反映出防屈曲支撑耗能良好，对结构有一定的抗震储备。国家鼓励重点设防类、特殊设防类和位于抗震设防烈度8度以上的抗震高烈度区采用减隔震技术，采用防屈曲支撑在高烈度区有很大的优势。

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On elasto-plastic seismic performance of irregular structure with buckling restrained braces

SHEN Xiao-pu1,ZHANG Huai-qun1,LI Qi-cheng2

(1.School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China;2.Anhui Pharmaceutical Design Institute,Hefei 230022,China.)

To meet the current specification requirements in the irregular frame structure in high intensity area layer story drift does not be installed,structure of BRB is put forward.The seismic performance and dynamic response under earthquake of frame with BRB structure are analyzed using the mode-superposition response spectrum method and elastic plastic time history.The results show that the stiffness of the structure is increased and the story drift is reduced under small earthquake fortification by BRB and the hysteretic curve is full,the energy consumption is good, and the seismic response is reduced in the case of rare earthquake.

buckling restrained braces;mode-superposition response spectrum method;elasto-plastic time history analysis;seismic response

2016-03-04

国家自然科学基金(51541806)；安徽省自然科学基金(090414272X)

沈小璞(1989—)，男，博士，教授，博士生导师。

1674-7046(2016)04-0006-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.002

TU375.4

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