钢框架防屈曲支撑结构的减震性能分析

姚 希

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100010）

0 引言

目前传统的抗震结构设计方法往往侧重于增加结构的强度和刚度，同时增加结构的柔韧性以承受地震响应。这种方法可以节省一定的工程费用，但由于地震的烈度和特征不明，强烈的地震会破坏建筑物，造成巨大的损失和经济损失。传统地震方法无法预防地震大地震造成的破坏。

1988 年，Watanabe 等人。他们以灌注混凝土的钢管为界，预埋支架作为芯管内支架，反复加载芯管内支架屈服（SPY），制动性能相当好。后来又研制成功了一种结构紧凑、难以触及的金属支撑润滑器，又称扭转消能管支撑[1]。

1990 年，Sridhara 提出了压缩拉索的概念，其目的是通过载体在负载下抛出的内芯产生的扭转应力来增加部件的承载能力。如果主体的弯曲应力低于材料的屈服强度，除了钢材的屈服强度外，还可以将其转换为支撑以获得更高的抗拉强度[2]。

1999 年，clarke 等人。对三组大型扭力杆进行了测试。两个部分的形状选择为矩形，第三个部分的形状选择为横截面。位移记录用于评估抗震性能，并进行了短期重复负载测试。试验发现板间位移为3%，相应的支撑位移为2%左右。测试结果表明，支架的滞后系数非常稳定[3]。

我国第一个横向防屈曲支撑研究来自台湾。2001 年，陈正诚等制作了12 个试件，分为三组依次进行测试。试件主支撑为矩形截面A36 钢板，支撑方式为钢筋混凝土、钢管、钢筋混凝土组合管。测试结果表明，所有支架的能耗都很高，但在循环运动过程中，采用钢筋混凝土修复机制的试件存在局部损伤和焊接损伤，而采用复合钢管修复方式的试件耗能能力最佳[4]。

2009 年，世博中心项目采用了扭力桁架。以世博中心为例，周建龙等人。讨论优先考虑承受功率和支撑功率的有效设计方法，并提出设计中需要解决的主要问题和方法，包括确定偏转功率支撑的电阻和耗散等级、设计与装配、产品验收标准等[5]。

2011 年，赵俊贤等人。他们提出了一种新型的抗缠绕全角钢消能支撑（ABRB），并制作了样品来测试半静态滞后性能。研究结果表明，铁芯的机械返回部分对防止永久扭转耗散弯曲非常有效[6]。

1 高层钢结构体系及其他特点

1.1 高层钢结构体系

1.1.1 纯钢框架结构体系

钢架体系是最简单、应用最广泛的钢架体系。主要靠钢梁、柱的弯曲来抵抗水平力。如果建筑物的高度太高或水平受力（地震、风荷载）大，容易造成较大的横向位移。结构按结构水平方向和垂直方向组织，框架是双向内力和侧向力的组合标准，节点配置通常包括强节点、弱节点和转换。纯框架体系的优点是强度高、结构轻、重量轻、柔韧性好、内部空间大、结构灵活。主要缺点是侧向刚度低，易受强震破坏，不易修复。

1.1.2 钢框架—剪力墙结构体系

随着结构高度的增加，它与结构的表面相遇，在纯框架结构中加入防止侧向位移构件（如剪力墙）以抵抗水平力，故称为刚性结构墙。在我国应用广泛，多层钢架建筑主要采用这种结构体系。结构系统中剪力墙的位置通常在楼梯间或隔墙中。这种布置的优点是整个结构具有柔性框架体系的特点，可以有效提高结构的刚度。目前广泛应用的有板式剪力墙、预制板剪力墙和混凝土剪力墙。

1.1.3 钢框架一支撑结构体系

在我国现代高层建筑体系中，钢结构支撑体系在实际施工中应用最为广泛，效率最高。一个新的坚固的两层结构系统为干净的框架系统增加了垂直支撑。额外的垂直支撑提供横向刚度和下垂控制，并有助于提高水平承载能力。支架的数量以及承载能力和支架放置的差异会显著影响支架性能。有两种主要类型的支撑：中心支撑或偏心支撑。对于高层建筑的内部和外部应用，通常配有可调节的支撑。

1.1.4 筒体结构体系

圆柱形建筑系统广泛应用于高层钢结构建筑和特殊结构。结构元素的组合，以创建可承受各个方向的水平载荷的圆柱形结构。例如，在钢筋混凝土墙体系统中，钢筋混凝土墙体设计成封闭柱的形式，以承受水平荷载和扭转，称为中心框架和管状结构。

1.1.5 束筒结构体系

该结构由内壁分隔的多组圆柱体组成，形成管梁结构体系，增加了结构的竖向收缩，一定程度上减小了剪力滞效应。

1.2 超高层钢结构框架+防屈曲支撑体系

过去，混凝土结构和混凝土砖因其经济性、耐久性和材料适用性，它用于许多建筑物。然而，随着整体经济的快速发展和城市数量的增加，对高品质建筑的需求也在不断增加，建筑物的承重能力越来越大，因此人们对建筑物的要求也越来越高和更高。尽管悬臂、高层建筑等建筑不断涌现出无限可能，但传统的结构和构筑物由于强度高、耐久性和互换性高，难以满足上述要求。同时，由于钢结构建筑具有强度高、重量轻、结构设计好、性能稳定、操作灵活等优点，在这个时代的建筑（尤其是塔楼）中多采用钢结构建筑。

传统的金属框架结构具有固有重量。随着建筑物高度的增加，结构的总质量增加。由于抗震强度直接关系到建筑物的质量，使用钢材增加立柱数量会减少材料的使用，减少空间的使用，影响房屋的舒适度。节省空间和施工成本，使用方便。另外，随着高度的增加，水平力也随之增加，由于纯钢材工艺变化大，偏差大，影响所用材料的安全性。

建筑物的抗震设计应通过以下方式增加其构件的强度和耐久性并增加由于塑性变形而传递给建筑物的地震能量的耗散来承受地震力。钢支撑增加结构的横向刚度，而支撑引起塑性变形。减震性能差、结构传力差、承重加固通道差，结构破坏严重，难以修复，丧失原有功能。钢架+弯曲钢筋（BRB）不仅增加了结构的刚度和强度，而且增强了吸收地震能量的能力，使结构体系更加安全。广泛应用于钢结构+折弯（BRB）高层建筑。

2 防屈曲支撑的基本原理

2.1 基本组成及作用

防屈曲支撑由三部分组成。内钢芯、外塞和它们之间的非粘合层或空隙。钢铆钉具有良好的抗弯强度和弯曲性，因此在加载时不会向侧面凸起。在弯曲轴承的情况下，只有底板连接到其他部件，所有载荷都通过底板传递。抗旋转核心材料提供出色的延迟，防止外壳和垫片在负载下弯曲主板，使其在压力下变形、拉伸和压缩。

一方面，防腐基材避免了传统支架压差大、承载能力差等缺点。同时，金属屏障的能量耗散能力起到了“保险丝”的作用，使核心结构保持在最有弹性的状态。除了提高轴向载荷下的承载能力外，它还可以提供拉伸和压缩延展性以消散地震能量。该保护器通过预先保护芯部结构免受颗粒损伤，达到防止变形和损伤控制的目的。因此，使用扭力防屈曲支撑可以提高现有杠杆在中等地震时的抗震性能。

2.2 技术要点与工作耗能原理

弯曲支架基本上具有两个技术特征。一种是能够限制弯曲变形的弯曲系统，另一种是防止或减少轴向力传递的机构。下面结合这两个技术点来解释一下防缠绕功耗的基本原理。一个普通的轴承在向其两端施加力时可以轴向移动，但轴向变形主要是由于轴承的轴向弯曲，而沿轴承中心轴线的压缩并没有改变行为，且没有表现出很强的灵活性。从轴向力和受压元件的阻力矩方面考虑，可以看出弯矩较小，对应的轴向支撑力越小。

与传统支架一样，扭转支架在弹性变形范围内为支撑结构提供侧向刚度。然而，在过渡到弹性后，抗摩擦轴承在流动阶段后开始塑性变形，而没有正常轴承因多次地震烧毁而出现的压缩失稳。此外，抗扭抗拉强度和抗压强度接近，因此在反复加载时滞后曲线平滑完整，抗冲击性能优于普通轴承。

2.3 防屈曲支撑界面形式、类型及布置原则

2.3.1 防屈曲支撑界面形式

由于结构的不同条件，它们需要不同的能量和功率消耗，常用的螺旋钢板有直板、横板、工字形、空心矩形等形状。外部约束通常用砂浆或混凝土和钢管填充，以提供所需的抗弯强度。

2.3.2 防屈曲支撑类型

扭力杆按作用分为消能扭力杆、承载扭力杆和弯曲杆三种。其中，散热防伪垫不仅能防止元器件弯曲，还能保证主板变形后的散热能力。耗能抗弯支撑适用于由薄层阻力支撑的耗能结构构件，除增加结构刚度和承载能力外。使用紧固件时，它们只能用于增加结构的刚度和承载能力。衬弧的屈曲力由目标设计要求确定，防弯曲支架可防止在紧固前弯曲。

2.3.3 防屈曲支撑布置原则

设计弯头时，重要的是要考虑结构的扭转效应，质心和刚度中心应尽可能耦合。还需要保证结构刚度的均匀分布，避免因应力集中引起的突然变化。传统的桁架结构大致分为实心、V 型、人字型、K 型、X 型五种，桁架通常采用V 型、单切或人字型结构，以防止节点错位。为了保持建筑物的功能和保证结构的整体强度，必须将抗弯原理设置在能保证最大能量耗散的位置。规划原则是：

（1）地震产生较大内支撑力的部位；

（2）地震时楼层间位移较大的楼层；

（3）必须沿结构的两条主轴线分别布置；

（4）提供单对角支架、人字形或V 形支架和偏心支架。

3 工程概况

本项目是在昆明市龙泉街道规划建设的一座摩天大楼。项目地下一层，地上55 层，顶层层高6.8m。主体建筑高206.4m，中心柱以上高度180m。建筑X 轴宽36.2m，Y 轴宽44.8m，标准建筑面积1621.76m2，使用寿命50 年。

建筑物抗震强度为8 度，计算热量为0.2g，目标有3 种坡度，特征时间Tg=0.65s，钢架和坚固墙体抗震1 级。第三组为设计抗震组。结构阻尼系数0.025，基础风压0.35 kN/m2，荷载按《建筑荷载计算规范》（GB50009-2012）计算，重现期为100 年。由于不考虑雪荷载和屋拱荷载，基础的雪压为0.35 kN/m2，雪荷载小于屋拱荷载，因此荷载不高。

4 超高层钢框架+防屈曲支撑结构的减震性能分析

4.1 结构设计部分

4.1.1 结构的性能目标

建筑由中央钢架支撑，高度超过200m，是一种特殊类型的摩天大楼。由于是高强度地区，在分析和设计建筑物时必须考虑抗震性能。本工作的思路是在抗震柔度分析的基础上进行高灵敏度抗震分析验证计算，综合评价建筑物的抗震性能。

4.1.2 支撑的布置形式

考虑到结构的扭转效应，立柱应尽可能靠近重量和强度放置，结构强度应均匀分布在界面上，使应力集中的突然变化不影响结构建筑物的功能和结构完整性，只要满足整体强度，应选择对能耗影响最大的支撑位置。规划原则如下：

（1）产生较大支撑力的部分；

（2）应沿结构的两条主轴线分开放置；

（3）可用于单倾斜支架、人字形或 V 形支架和角支架。

4.2 多遇地震作用下的弹性时程分析

《高层建筑钢筋混凝土结构技术标准》规定，对于经常发生7～9 级地震的高层建筑，下列情况需采用弹性计算法进行附加评估。

（1）高层建筑；

（2）乙、丙类高层建筑；

（3）不符合本规程要求的高层建筑；

（4）本条例第十章规定的高层综合设施；

（5）竖向质量分布不均匀的高层建筑。

在动力地震分析中，往往需要仔细选择地震波并记录地震波影响结构的时间序列。

4.2.1 地震波的选取

根据我国规定，结构历史分析必须满足以下要求：

（1）根据施工场地等级和预估地震组，至少选取2 条地震记录和1 条模拟动力曲线，且强震记录数量大于2/3。平均地震系数应与谱响应法确定的地震系数一致。对于底部振动减少65%的模型响应谱，根据多小时历史计算的平均底部位移应至少为从归一化减少响应谱获得的底部振动的80%。

（2）地震波的选取应考虑地震运动的三个分量，即有效峰值、光谱特性和时间根据地球的实际情况而变化。地震力包括高位移、高速度和高加速度，它们代表地震动记录中最强的部分。我们通常选择地震时的最大加速度作为地震规划的抗震准则。

4.2.2 无支撑结构与普通支撑结构的弹性时程分析

根据我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），选取地震波计入计算时，必须满足“稳定比”的要求。也就是说，它必须满足多小时的要求。模态分解和平均曲线及谱响应小波地震活动系数的方法。与运动学曲线相比，结构主要模态（前3 阶）对应的周期点小于20%，结构主要向下方向的平均侧向力大于20%。65%以上正态分解法和地震波烈度计算结果的反应谱。

5 结论

本文阐述了防屈曲支撑在国内外研究现状、其工作原理、力学模型和承载力的计算及其相关参数（如等效刚度、等效截面面积、等效阻尼比等），介绍了防屈曲支撑的优缺点等。在之前的理论基础上，本文以一个拟建的56 层的钢框架结构为研究背景，首先分别建立了无支撑结构、两种不同布置形式的普通支撑结构以及防屈曲支撑结构四种结构模型，对四种结构进行模态分析对比；接着对无支撑结构与普通支撑（第2 种支撑布置形式）结构以及防屈曲支撑结构进行反应谱分析及弹性时程分析；最后选择普通支撑结构（第2 种布置形式）和防屈曲支撑结构进行罕遇地震作用下的抗震分析。