王艷武（河北省建筑科學研究院，河北　石家莊　050021）

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防屈曲耗能支撐（BRB）在某建筑加固中的應用

王艷武
（河北省建筑科學研究院，河北石家莊050021）

摘要：使用防屈曲耗能支撐（BRB）對某混凝土框架結構進行了加固，并通過ANSYS與MIDAS兩種有限元軟件，對加固前后的結構進行了多遇、罕遇地震作用下的結構響應仿真分析，結果表明：多遇、罕遇地震下，加固后結構層間位移角均滿足規(guī)范要求，有效減弱主要構件塑性鉸的出現，保證了結構整體安全性。

關鍵詞：防屈曲耗能支撐，結構加固，耗能減震，時程分析

0　引言

在對既有混凝土框架結構的升級改造、加固時，經常遇到結構抗震能力、抗側移剛度不足的問題。根據現行的規(guī)范［1］傳統加固方法有增設普通鋼支撐體系法、增大截面加固法、外包型鋼加固法等，主要是提高結構剛度和強度這樣“硬抗”的方法，然而地震作用與結構特性密切相關，隨著結構剛度的增加而增強（尤其在高設防烈度區(qū)域），“硬抗”不僅造成建筑材料用量增加，而且還使勞動力成本增加、工期延長，很可能還會導致地震作用下主要受力構件破壞增大，震后難以修復。

為此，國內外專家學者提出了新型防屈曲耗能支撐（BRB）。BRB主要由核心單元、約束單元及滑動機制單元組成，解決了傳統支撐受壓屈曲問題，并具有經濟性好、易修復、連接方便、設計靈活等優(yōu)點。

本文主要對某一混凝土框架結構使用防屈曲耗能支撐（BRB）進行加固，聯合使用ANSYS，MIDAS兩種有限元軟件對加固前后的結構進行多遇、罕遇地震作用下的結構響應仿真分析，尤其對BRB的性能做了分析說明。

1　工程概況

某建筑物約建于2005年，為地上4層混凝土框架結構，樓（屋）面板均為混凝土現澆板。該建筑物1層層高為5.2 m，2層～4層層高為3.6 m，梁最大跨度7.8 m，建筑總面積為1 451 m2?，F將該建筑物改造升級為辦公樓，建筑結構模型如圖1所示。改造升級后建筑物1層為資料室，2層～3層為辦公室，4層為會議室和辦公室混合，樓梯間位于建筑物角部。

圖1　辦公樓結構模型

結構計算參考現行規(guī)范［1-4］，相關參數如下：

1）結構形式：地上4層混凝土框架結構，樓（屋）面板均為混凝土現澆板。

2）材料信息：1層、3層及4層混凝土梁柱構件抗壓強度為C20；2層混凝土梁柱構件抗壓強度為C25；樓（屋）面板混凝土抗壓強度為C20，厚0.1 m。

3）地震及場地信息：場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為2組，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g，設計特征周期為0.4 s，建筑結構安全等級為二級，重要性系數為1.0。

4）荷載信息：該建筑物地面粗糙度為C類。基本風壓為0.3 kN/m2，地形修正系數1，迎風面體型系數0.8，背風面體型系數-0.5。樓（屋）面荷載依據規(guī)范設定。

按照規(guī)范［3］，多遇地震作用下層間位移角極限值為1/550，經由MIDAS計算結果顯示建筑物1層～3層最大層間位移角均超限。

2　有限元模型的建立

MIDAS建模時，梁和柱采用梁單元，樓面采用板單元，墻面荷載均布在下部的梁上。對應的ANSYS建模，依據規(guī)范［3］對荷載的規(guī)定，將所需恒荷載和活荷載按比例進行組合計算后以附加質量形式輸入結構模型中來完成建模。梁和柱都使用Beam189高階梁單元，樓面使用Shell281高階殼單元，質量分布都采用ADMSUA附加質量的方式。距梁0.001 m處建立新梁，以此來附加由墻面荷載轉化的質量，然后耦合近距離的所有節(jié)點，使同一位置各梁一體化，達到與MIDAS梁上附加墻面荷載一致的效果。

3　有限元模型的對比驗證

為驗證兩種有限元模型建模方式是否保證了模型主要參數未發(fā)生較大變動，選定未使用BRB加固的模型，將ANSYS，MIDAS的模型進行了對比。結果顯示：模型各層質量和總質量相對誤差在0.1%內，模態(tài)分析前9階各階周期相對誤差最大6%，由此可見，兩種軟件建立的有限元模型基本一致，具有良好的適用性。

4　地震波選取

鑒于規(guī)范［3］中第5.1.2條規(guī)定，本文選用兩組天然波和一組人工波：San Fernando，El Centro，AW915，各地震波加速度時程曲線如圖2所示。多遇、設防、罕遇地震下加速度峰值分別為70 cm/s2，200 cm/s2，400 cm/s2。多遇地震下，三種轉換地震波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線的關系如圖3所示，對應于結構前三階主要振型的周期點上相差分別為19.1%（T1），14.8%（T2），17.8%（T3），符合“統計意義上相符”的規(guī)定。

5　BRB支撐設置

一共布置18個8種不同參數的BRB支撐，具體布置位置見圖4。

圖2　地震波加速度時程曲線

圖3　規(guī)范譜與地震波譜對比圖

圖4　BRB布置具體位置顯示圖

6　多遇地震分析

6.1模態(tài)分析

ANSYS，MIDAS兩種仿真軟件無BRB和有BRB有限元模型的前三階模態(tài)數據詳細對比見表1，表2。由此可知，BRB加固后結構的模型周期有所改觀。

表1　MIDAS有無BRB模態(tài)對比

表2　ANSYS有無BRB模態(tài)對比

6.2層間位移角檢驗

依據規(guī)范［4］，MIDAS分別計算恒載工況、活載工況、恒載+ 0.5活載工況、X向風荷載、Y向風荷載、X向水平地震荷載工況、Y向水平地震荷載工況7種工況下的層間位移和層間位移角。結果顯示，均滿足規(guī)范［3］要求。

6.3時程分析結果

限于篇幅和簡潔性的要求，本次多遇地震時程分析結果只隨意選擇San Fernando波進行對比分析。非線性時程分析均采用直接積分法，結構阻尼使用瑞利阻尼，阻尼比均取0.05。依據規(guī)范［3］，將地震波的峰值調整為70 cm/s2。各層層間位移角最大值見圖5，結果顯示層間位移角滿足規(guī)范［3］層間位移角極限值1/550的要求。

圖5　ANSYS，MIDAS兩種模型各樓層最大層間位移角

7　罕遇地震時程分析

三組罕遇地震波作用下BRB加固與否兩種有限元模型各層最大層間位移角分別如圖6～圖9所示。

圖6　X向各層最大層間位移角ANSYS結果

圖7　Y向各層最大層間位移角ANSYS結果

圖8　X向各層最大層間位移角MIDAS結果

由圖6～圖9可知，各層間位移角都在1/100以內，完全滿足規(guī)范［3］1/50的要求，并且加固的結構層間位移角整體呈減小趨勢，說明加固后有效減弱了結構的地震響應。其中ANSYS，MIDAS仿真分析結果顯示層間位移角最大分別減小54.96%，49.03%。

圖9　Y向各層最大層間位移角MIDAS結果

8　多遇、罕遇地震下BRB性能分析

提取MIDAS仿真中San Fernando地震波對應多遇、罕遇地震波作用下7號BRB支撐的變形—力滯回曲線，見圖10。其他BRB支撐的滯回曲線與7號BRB的相似，在此不再羅列。對比可知：1）多遇地震作用下，整個地震時間段內BRB基本都處于彈性階段；2）罕遇地震作用下，BRB滯回曲線很飽滿，耗能充分，很好的體現出支撐在大震時既起到增加結構附加剛度的作用，又有耗能減震的作用；3）罕遇地震作用下，最外圍較大位移幅值的滯回環(huán)比較稀疏，不是主要耗能部分，有效抑制了疲勞破壞的趨勢（BRB工作狀態(tài)頻繁接近強度極限的話，很容易造成往復疲勞破壞）。

圖10　S波在多遇、罕遇地震下7號BRB支撐滯回曲線

9　結語

基于BRB加固設計方法，聯合使用ANSYS和MIDAS兩種常用有限元分析軟件，以相關規(guī)范為依據，對BRB支撐加固前后的結構進行抗震驗算。對結構分析可以得出結論：1）多遇、罕遇地震下，加固后結構層間位移角均滿足規(guī)范要求；2）在罕遇地震下，層間位移角最大減小約50%，有效減弱主要構件塑性鉸的出現，保證了結構整體安全性。

參考文獻：

［1］GB 50367—2013，混凝土結構加固設計規(guī)范［S］.

［2］GB 50010—2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［4］GB 50009—2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

Buckling Restrained Brace used in reinforcement of a building

Wang Yanwu
（Hebei Academy of Building Research，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：In this paper，a concrete frame structure is reinforced by installing Buckling Restrained Brace（BRB）.The structure responses before and after reinforcement were analyzed under multi and rare earthquake by combination of finite element software ANSYS and MIDAS.The results show that，displacement angles between each two neighboring layers of the structure meet the standard under multi and rare earthquake，and the emergence of the plastic hinge is effectively reduced to ensure the overall safety of the structure.

Key words：Buckling Restrained Brace，structural reinforcement，energy dissipation，time-history analysis

中圖分類號：TU352.1

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0034-03

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：王艷武（1975-），男，高級工程師