承载型屈曲约束支撑在建筑结构设计中的应用

宿素美 (山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500)

随着城市化进程的不断加速和建筑技术的不断进步，建筑工程领域对于高层建筑的需求不断增长。在设计和建造高层建筑时，抗震性能和结构稳定性成为至关重要的考虑因素[1]。地震等自然灾害的威胁使得建筑工程领域对于结构抗震性能的研究变得尤为重要，这不仅关系到建筑物的安全性，还直接影响到人们的生命财产安全。在抗震结构设计中，屈曲约束支撑（BRB）作为一种先进的结构措施，近年来逐渐引起了工程界的广泛关注和研究。屈曲约束支撑可在地震作用下提供额外的支撑和能量耗散能力，提高建筑结构的抗震性能[2]。与传统的结构措施相比，BRB具有出色的性能和可靠性，能够有效地保护建筑结构免受地震影响[3]。本文将着重探讨承载型屈曲约束支撑在建筑结构设计中的应用，旨在通过深入的研究和分析，揭示其在提高建筑抗震性能、优化结构性能和满足工程要求方面的关键作用，从结构体系、设计布置、设计改进、性能分析等多个方面进行详细讨论，以全面阐述承载型屈曲约束支撑的工程应用价值。

1 工程概况

某商业办公楼工程项目，总建筑面积约为45500m2，建筑用地东西长约100m，南北宽约60m。该建筑项目分为22层上部结构和3层地下室。其中，1~7层为商业区域，8~22层为办公区塔楼，标准层结构如图1所示。

图1 标准层结构

建筑的总高度约为97m。建筑设计中采用了一些创新性的元素，建筑中部分区域的中庭从首层延伸至二层，而会议室则跨越4 层和5 层，形成统一贯通的空间。根据建筑的外形、用途以及受力需求，采用一种具有局部托柱转换的框架-剪力墙结构。将剪力墙布置形成一个承载结构的“筒体”，并在会议室区域的6层楼面设置转换梁拖柱，以实现竖向构件的收进并确保会议室使用空间的完整性。由于可供布置剪力墙的区域存在偏置和尺寸限制，并且柱子的数量相对较多，适度增加剪力墙的数量，以增强结构抵抗主要地震力矩的能力，并进一步加强周边和边榀框架的抗侧扭刚度，以改善整体结构的抗扭性能。

工程结构的设计使用寿命为50 年，考虑到地震风险，抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为7 度。为了确保工程的稳定性，采用钢框架-屈曲约束支撑结构，以满足建筑的安全性和稳定性要求。基础采用钻孔灌注桩形式，灌注桩的长度约为44m，单桩的抗压承载力特征值约为3000kN。

2 结构体系与布置

2.1 屈曲约束支撑布置

为了满足建筑结构的抗震性能要求，在X方向，设两处屈曲约束支撑，在Y方向设三处屈曲约束支撑，如图2所示。这些屈曲约束支撑起到了关键的作用，不仅在正常使用情况下提供了足够的刚度和稳定性，在地震等极端情况下发挥了重要的减震功能。这些屈曲约束支撑，中芯材选用LY225，支撑的立面形式主要包括人字形和倒V形，最大限度提高结构的稳定性和抗震能力。在具体结构设计方面，采用优化的截面形式，框架柱选用箱形截面柱，其截面尺寸为450mm×600mm×35mm×35mm，材料为Q390B；框架梁截面尺寸为500mm×300mm×8mm×16mm，材料为Q390B的H型钢。

图2 标准层屈曲约束支撑布置图

2.2 屈曲约束支撑节点

钢筋混凝土框架+钢支撑结构的刚度适中，处于纯框架结构和框架-剪力墙结构之间。这种结构在正常使用和面对多次地震作用时，具备足够的刚度和强度储备，能够有效应对振动和荷载。其中，钢支撑在结构中的作用是至关重要的，可增加建筑结构的整体刚度，进而减小外荷载作用下的结构变形，提高结构稳定性。特别是在罕遇地震发生时，钢支撑将扮演关键的角色，在极端情况下，钢支撑将进入塑性阶段，能够有效地吸收和消耗地震能量，使结构能够抵抗倒塌的风险[4]。

屈曲约束支撑（BRB/UBB）是一种由芯材、无粘结材料、填充材料和外套筒组成的结构元素，如图3所示。其设计目的是在地震作用下提供额外的支撑和能量耗散能力，从而进一步提高结构的抗震性能。这种支撑结构在抗震设计中越来越受到关注和广泛应用，因为具有出色的性能和可靠性，能够有效地保护建筑结构免受地震影响[5]。

图3 屈曲约束支撑结构

屈曲约束支撑（BRB）结构中的特点在于，其全部荷载由芯板来承担，约束套筒的作用仅限于约束芯板受压屈曲。它使得芯板在受拉和受压作用下均能够进入屈服状态，从而表现出出色的滞回性能，具备强大的耗能能力。

图4展示了首层屈曲约束支撑与型钢连接的节点。此节点设计中，屈曲约束支撑位于首层型钢梁内，屈曲约束支撑节点板和肋板都被垂直设置于梁和柱的截面上。节点设计的关键在于确保混凝土梁、混凝土柱和型钢之间的协调工作，以提供强大的连接性能，以及满足结构的抗震和稳定性能要求。此外，为了增强连接的稳固性，梁和柱的H型钢骨架内还设置了加强肋，加强肋与H型钢通过焊接保证可靠连接。在节点板上设有梁箍筋，梁箍筋与连接板焊接，进一步保证连接的可靠性。这种设计方案旨在实现混凝土梁、混凝土柱和型钢之间的紧密连接，以确保整个建筑结构的稳定性。

图4 首层屈曲约束支撑与型钢的连接节点

3 性能分析

3.1 设计性能目标

结合工程项目的实际情况和建设要求，确定具体的抗震性能目标，如表1 所示，这些性能目标是确保建筑结构在面对地震等自然灾害时能够安全稳定运行的关键因素之一。通过合理的性能目标设定，确保结构在设计寿命内能够承受各种外部力的作用，从而保证结构的可靠性和抗震性能[6]。

表1 设计性能目标

3.2 性能参数分析

将地下室顶板作为建筑结构的嵌固端，通过YJK软件和ETABS进行对比分析，两种方法互为辅助，用以验证和确认结构分析结果的准确性。通过计算分析，得到主要的性能参数指标如表2所示。

表2 性能参数指标

通过表2的数据可以看出，YJK软件和ETABS软件得到的性能参数，在数值上非常相近，验证了分析方法的有效性。振动周期比、有效质量系数、剪重比、最大层间位移角等参数均符合相关规范的要求。

3.3 弹性时程分析

根据工程项目所在地的特点和相关要求，选取SHW1、SHW3 和SHW5 三组地震波[7]进行弹性时程分析。通过分析数据可以得出，时程分析法与上述分析得到的层间位移角的计算结果相似，均符合有关规范中小于1/250 的要求。考虑了弹塑性刚度退化和BRB耗能的影响，建筑结构在两个方向的底部剪重比包络值分别为9.03%和10.47%，每组波的地震剪切力都有不同程度的降低，两个方向的包络值分别为0.62 和0.71。为了更全面地了解结构的性能，对结构的耗能分布进行了分析。表3和表4分别给出了X方向和Y方向在罕遇地震作用下构件的耗能分布。

表3 X向耗能分布

表4 Y向耗能分布

在所选定的地震波作用下，屈曲约束支撑在耗能中起到了重要作用。根据分析结果，屈曲约束支撑的耗能约占整体结构耗能的30%，约占结构非线性耗能的85%。表明屈曲约束支撑在结构减震中具有显著的性能，能够有效地吸收和耗散地震能量。屈曲约束支撑的耗能能力表现出色，在耗能中所占比例较高，发挥了良好的减震效果,使得结构整体能够更好地抵御外部地震力的影响，保持了相对较低的位移和变形。总体而言，屈曲约束支撑的引入对于提高结构的抗震性能和耗能能力至关重要。它不仅有效地减小了结构的位移响应，还降低了结构的动力反应，从而确保了结构在地震等自然灾害发生时的稳定性和安全性。

4 结语

结合实际的商业办公工程项目，研究屈曲约束支撑在建筑结构设计中的应用，得出如下结论：

（1）承载型屈曲约束支撑在建筑结构设计中的应用，为高层建筑的抗震性能提供了有效的解决方案，通过在X方向和Y方向设置屈曲约束支撑，最大限度提高结构的稳定性和抗震能力，确保在正常使用和地震等极端情况下都具备足够的刚度和强度。

（2）性能分析结果表明，屈曲约束支撑能够有效地吸收和耗散地震能量，使结构在地震发生时保持相对较低的位移和变形。自振周期、质量系数、基底剪力等参数，均符合规范要求，确保了建筑结构的稳定性和安全性。