屈曲约束支撑在某宿舍楼减震效果的应用研究

董苏媛　陈亮

摘要：屈曲约束支撑是结构减震设计中常用的元件，如何评价布置屈曲约束支撑后结构减震效果，是结构界关注的热点。本文以曲靖地区某宿舍楼工程为例，研究设置防屈曲耗能支撑前后，结构在小震下的地震响应。通过对比剪力、侧移的变化，研究了采用屈曲约束支撑的减震效果。研究结果为宿舍楼的减震效果给出了理论依据。

关键词：防屈曲耗能支撑；时程分析；小震分析；减震效果

0引言

屈曲约束支撑能承受拉、压两种状态下往复作用，且不会出现屈曲现象。因此常作为减震元件用于结构的抗震设计。屈曲约束支撑的核心部分是约束芯材，通常采用低屈服点钢材制成，具有轴向拉压刚度，且具有良好的滞回耗能性能。在结构中布置屈曲约束支撑时，既要考虑充分发挥其耗能性能，又要尽可能地减少对建筑的使用功能的影Ⅱ向。采用较多的屈曲约束支撑固然可以提高建筑的抗震性能，但是对建筑的影响也会很大。因此，有必要对布置屈曲约束支撑的减震效果进行评价，以确定合理的屈曲约束支撑数量与布置位置。

本文以曲靖地区某宿舍楼工程为例，研究设置防屈曲耗能支撑前后，结构在小震下的地震响应。通过对比剪力、侧移的变化，研究了采用屈曲约束支撑的减震效果，以便为宿舍楼的减震设计提供理论依据。

1工程应用研究

1.1工程概况

曲靖地区某学生宿舍工程，建筑总面积为4447.7m2，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度峰值为0.15g，设计地震分组第三组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.45s，结构的阻尼比0.05。结构形式为框架结构，框架的抗震等级二级，设计使用年限为50年。

1.2屈曲约束支撑布置

结合建筑图，研究确定在每层4个位置布置屈曲约束支撑（人字撑），总共布置结构下部的三层，总计采用24根屈曲约束支撑，屈曲约束支撑的设计参数如表1。

屈曲约束支撑（BRB）平面布置如图1所示。

1.3有限元模型的建立

依据建筑设计，设计首先利用盈建科（以下简称：YJK）软件建立结构分析模型，并对模型进行了初步分析，确定结构设计基本满足要求，然后再将模型导入SAP2000，布置屈曲约束支撑，对结构进行动力时程分析。SAP2000软件建立的减震结构模型如图2所示。

由于结构的配筋设计通常采用YJK，而减震结构的计算又采用SAP2000等有限元分析软件。因此有必要对YJK和SAP2000建立的同一结构模型进行对比分析，确保两个软件建立的模型一致。一般认为，当结构模型计算得到的质量、周期以及层间剪力差异不大，则认为两个软件建立的模型相同。采用YJK与SAP2000分别对模型计算，得到的质量、周期值以及层间剪力及其误差检验结果如表2、表3、表4所示。从表2可以看出，两个软件中结构质量差值为0.5%，从表3可以看出，两个软件中结构前三阶周期最大差值为0.57%，差值均很小。从表4可以看出，两个软件中结构层间剪力，最大差值为9.58%，发生在第6层（顶层），其他楼层的层间剪力相差较小。因此，综合表2、表3与表4可知，用于本工程减震分析计算的SAP2000模型与YJK模型，在结构质量、周期与各层剪力的差异不大，因此，两模型基本一致。可以利用SAP2000建立的模型进行结构的减震分析。

1.4地震波的选取

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条规定以及条文说明，工程选取了5条实际强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，其中七条加速度时程曲线见图3。在SAP2000软件中输入加速度时程曲线，对非减震结构进行弹性时程分析，结果取包络值。弹性时程分析结果与反应谱分析结果对比如表5所示。从表5可以看出，结构的前三周期的水平地震影响系数，时程平均影响系数与反应谱影Ⅱ向系数的误差最大3.06%。表6给出了分别基于反应谱计算与输入加速度时程得到的模型底部剪力，通过模型底部剪力值的对比，可以看出分析选取的加速度时程合理。结合表5与表6可知，研究选取的地震波满足规范要求，可以用于建立的模型的減震时程分析。

1.5小震时程分析

在SAP2000分析中，弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑阻尼器的非线性、结构本身假设为线性。研究分别对减震结构与非减震结构模型对比分析，研究屈曲约束支撑对结构动力响应的本工程小震下采用的地震加速度时程的最大值为55gal。

1.5.1层间位移角计算结果对比与分析

表7给出了减震结构与非减震结构层间位移对比结果。从表7可以看出，无论是x方向，还是Y方向，从一至四层，减震结构的层间侧移值均小于非减震结构，而在五至六层，减震结构的层间侧移值均大于非减震结构。模型的屈曲约束支撑布置在一至三层，这表明屈曲约束支撑的布置，较好地改善了结构的底部的侧移。由于结构上部未布置屈曲约束支撑，导致结构上部的侧移值较非减震结构反而有一定的增加。

1.5.2层间剪力计算结果对比与分析

表8给出了减震结构与非减震结构层间剪力对比结果。从表8可以看出，无论是x方向，还是Y方向，从一至六层，减震结构的层间剪力值均大于非减震结构。这主要的原因是屈曲约束支撑为结构附加了刚度，结构的周期减小，导致结构的地震力增加所致。

1.6大震层间位移角计算结果与分析

利用SAP2000，对建立的减震模型进行大震弹塑性分析。在分析之前，需要对减震模型进行如下调整：①主体结构框架梁、柱均定义塑性铰；②连接单元Plastic（Wen）模拟屈曲约束支撑。弹塑性时程分析过程考虑材料非线性，采用小变形假定，不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法。输入T1、T2以及R1三条地震波，对减震结构进行大震下的时程分析。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，本工程大震下采用的地震加速度时程的最大值为310gal。减震结构层间位移角计算结果见表9。从表9可以看出，减震结构x方向层间位移角包络值为1/178，Y方向层间位移角包络值为1/184，表明减震结构大震下的层间位移角满足规范要求。

2结论

本文采用时程分析法，输入地震波，对布置屈曲约束支撑后的钢筋混凝土框架结构宿舍楼的减震效果进行了分析，得到如下结论：

①小震下，布置屈曲约束支撑后，结构的下部楼层的层间侧移值较未布置屈曲约束支撑结构的侧移值减少，而上部楼层的层间侧移值较未布置屈曲约束支撑结构的侧移值增加。

②小震下，布置屈曲约束支撑后，减震结构的周期小于非减震结构，因此减震结构的剪力较未布置屈曲约束支撑结构的剪力值有所增加。

③附加防屈曲耗能支撑后，大震作用下，结构的层间位移角满足规范要求，满足“大震不倒”的要求。endprint