消能减震技术在工程中的应用与研究

崔立杰CUI Li-jie；王兵WANG Bing；王雷WANG Lei

（①河北科技工程职业技术大学（原邢台职业技术学院），邢台 054000；②中建研科技股份有限公司，北京 100013；③北京威斯顿建筑设计有限公司石家庄分公司，石家庄 050011）

0 引言

我国建筑消能减震技术研究与应用取得了丰硕的成果，研究开发了一批具有自主知识产权的消能器，设计方法和设计标准日趋成熟，已在新建和既有建筑工程中得到广泛应用[1]。本文通过对罕遇地震作用下基于消能减震技术的屈曲约束支撑实际工程案例进行分析，不仅显著提升结构在地震作用下的抗震性能，同时为消能减震技术在工程项目中的应用提供一定的参考[2]。

1 工程概况

某工程主体为混凝土框架结构，本工程采用防屈曲支撑消能减震技术，根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008[3]，本项目设防烈度为8 度（0.20g），建筑场地类别为II 类，地震分组为第二组，其建筑结构模型如图1 所示。

图1 结构模型

2 消能减震方案

本项目采用屈曲约束支撑作为消能减震部件。其中屈曲约束支撑的芯材在地震作用下，通过外围约束单元约束核心支撑芯材受压时不屈曲，使其能达到受拉时一样的屈服效果，从而吸收地震能量，其中芯材与外围约束单元之间的无粘接材料用来保障芯材受压膨胀时减少与外围约束单元之间的摩擦力，从而不影响其轴向承载力[4]，布置位置如图2 所示。

图2 阻尼器平面布置图

3 弹塑性分析

3.1 分析方法

表1 消能器力学性能

本项目采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应：

①完全的动力时程特性：直接将地震波输入结构进行弹塑性时程分析，可以较好地反映在不同相位差情况下构件的内力分布，尤其是楼板的反复拉压受力状态；

②几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P-Δ”效应，非线性屈曲效应等都被精确考虑；

③材料非线性：直接在材料应力-应变本构关系的水平上模拟；

④采用显式积分，可以准确模拟结构的破坏情况直至倒塌形态。

3.2 非线性地震反应分析模型

①杆件弹塑性模型。

杆件非线性模型采用纤维束模型，如图3 所示，主要用来模拟梁、柱等构件。

图3 一维纤维束单元图

②整体分析模型。

本项目楼板采用弹塑性分层壳单元。

在非线性过程中，楼板将发生开裂使其平面内刚度下降，对结构的各抗侧力构件刚度分配和剪力传递也将产生一定影响。因此，本项目非线性分析中将不采用刚性楼板假定，对各层楼板均划分为壳单元进行分析。

3.3 分析步骤

第一步：施工模拟加载。第二步：地震加载。弹塑性分析时所采用的地震波工况（地震波波形及持续时间、频谱特性等数据）应统一。

4 罕遇地震作用下消能减震结构反应

4.1 分析工况信息

见表2。

表2 分析工况信息表

4.2 各组地震动作用下基底剪力和剪重比（表3、表4、图4）

图4 层间剪力曲线

表3 X 主向弹塑性基底剪力和剪重比统计表

表4 Y 主向弹塑性基底剪力和剪重比统计表

计算结果表明，对结构添加屈曲约束支撑后，罕遇地震作用下，X 向底部剪力最大值为：V=14.4MN，Y 向底部剪力最大值为：V=15.3MN，有效减小结构的剪力值。防屈曲支撑构件具有较好的耗能性能，构件屈服和损伤使地震效应降低，结构抗震性能得到显著提升。

4.3 各组地震动作用下位移结果（表5、图5、图6）

图5 层间位移角

图6 楼层位移

表5 地震动作用下位移统计表

计算结果表明，对结构添加屈曲约束支撑后，如表5 所示，罕遇地震作用下，X 向顶部位移最大值为：V=105mm，Y 向顶部位移最大值为：V=108mm。弹塑性大震平均层间位移角，其中X、Y 向最大层间位移角为1/123、1/120，均小于规范[5]限值1/50，满足要求。说明罕遇地震作用下屈曲约束支撑已经屈服，发挥耗能作用，屈曲约束支撑的增设充分发挥了原框架结构的抗震性能。

5 结论

①罕遇地震作用下，动力弹塑性基底剪力计算结果表明：罕遇地震作用下，X 向底部剪力最大值为：V=14.4MN，Y 向底部剪力最大值为：V=15.3MN，结构添加屈曲约束支撑后，有效减小结构的剪力值，具有较好的耗能性能，结构抗震性能得到显著提升。

②罕遇地震作用下，动力弹塑性层间位移角计算结果表明：X 方向最大层间位移角为1/123，Y 向最大层间位移角为1/120，满足规范要求。

③罕遇地震作用下，动力弹塑性顶部位移计算结果表明：X 向顶部位移最大值为：V=105mm，Y 向顶部位移最大值为：V=108mm，屈曲约束支撑已经屈服，发挥耗能作用，屈曲约束支撑的增设充分发挥了原框架结构的抗震性能。