伍定一（常德市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南常德415000）

屈曲約束支撐（BRB）消能減震控制分析

伍定一（常德市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南常德415000）

高烈度區(qū)（Ⅷ度及以上）結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的延性抗震設(shè)計(jì)方法往往存在以下主要問題：采用傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)體系，在小震作用下難以滿足1/550的層間位移角要求，采用框架-剪力墻體系，結(jié)構(gòu)剛度太大，吸收的地震力大大增加，剪力墻超配筋現(xiàn)象嚴(yán)重，且建筑功能上很多時(shí)候限制了剪力墻的布置位置；通過加大結(jié)構(gòu)截面、增加配筋來抵抗地震，結(jié)果是斷面越大，剛度越大，地震作用也越大，往往給設(shè)計(jì)帶來了很大難度。采用屈曲約束支撐方案，既能給結(jié)構(gòu)提供小震作用下的附加阻尼比，小震時(shí)，屈曲約束支撐仍處于彈性狀態(tài)，具有足夠側(cè)向剛度保證結(jié)構(gòu)滿足使用要求，當(dāng)發(fā)生中、強(qiáng)地震時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，屈曲約束支撐率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，提供較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)震中免遭嚴(yán)重破壞，確保結(jié)構(gòu)安全。本文分析了某工程在大震作用下的彈塑性變形性能、層間位移角，大震作用下的塑性鉸出現(xiàn)順序和位置、薄弱環(huán)節(jié)及破壞機(jī)制等，同時(shí)分析了防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)在大震作用下的屈服特性。

屈曲約束支撐（BRB）；靜力彈塑性（Pushover）分析；附加阻尼比；塑性鉸

1　工程概況

本工程位于新疆省烏魯木齊市，為一小區(qū)內(nèi)配套幼兒園，3層，建筑物總高度14.400m。地上部分為屈曲約束耗能支撐的框架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g；設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類場地?？蚣艿目拐鸬燃墳橐患?。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.6kN/m2，粗糙度為B類［1］。

2　屈曲約束支撐的布置方式

圖1　主樓BRB布置圖

3　罕遇地震作用下靜力彈塑性（Pushover）分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價(jià)

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性 （Pushover）分析，是在基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法中，以量化的計(jì)算結(jié)果來評價(jià)結(jié)構(gòu)在大震作用下是否滿足“不嚴(yán)重破壞，變形不大于彈塑性變形限值”的抗震性能目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)手段之一。

3.1Pushover分析方法及結(jié)構(gòu)抗震性能評估［2］

地震屬于不可抗力的一種自然現(xiàn)象，并具有不可抗力。Pushover分析方法就是以靜力來模擬地震力，雖然靜力的力度與地震發(fā)生時(shí)的力度具有天壤之別，但其性質(zhì)以及發(fā)生的原理與地震非常相似。Pushover是指地震在發(fā)生時(shí)對建筑物造成彈塑性變的一種理論原則。以靜力代替地震力，在實(shí)用模型上按照某種規(guī)律進(jìn)行合理的排列與分布。從小到大，從低到高逐漸加大單調(diào)加載力度，從而進(jìn)一步進(jìn)行分析和計(jì)算。一旦在模擬的過程中，結(jié)構(gòu)模型發(fā)生了屈服，開裂，毀壞等情況，就應(yīng)該終止此項(xiàng)模擬測驗(yàn)，改變原有的結(jié)構(gòu)形勢并判斷事故發(fā)生的地方，通過結(jié)構(gòu)的重新設(shè)定再次判斷抗震力是否滿足地震要求的要求。

Pushover方法分既包括建荷載－位移曲線結(jié)構(gòu)的建立，還包括反映結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)特征，對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化分析，進(jìn)一步從而完善建筑抗震能力的設(shè)計(jì)。

抗震性能設(shè)計(jì)的能力譜法步驟如下：

用Pushover法求出結(jié)構(gòu)的能力曲線；

將能力曲線變換為用譜加速度與譜位移關(guān)系表示的能力譜曲線；

由規(guī)范的反應(yīng)譜變換為用譜加速度與譜位移關(guān)系表示的需求譜曲線。

3.1.1計(jì)算結(jié)構(gòu)阻尼比

結(jié)構(gòu)在側(cè)推（Pushover）過程中構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，阻尼隨著增加，沿著能力譜曲線上每一點(diǎn)，都可計(jì)算該時(shí)刻下的結(jié)構(gòu)阻尼比。

3.1.2結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的確立

Pushover結(jié)構(gòu)抗震性能評估主要是通過結(jié)構(gòu)的能力譜與在罕遇地震下結(jié)構(gòu)，性能需求譜兩者的相互疊加，從而全面的計(jì)算出此結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)。結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的計(jì)算能夠推理出譜曲線上，每一點(diǎn)的阻尼比，需求譜由外到內(nèi)的縮小與收斂，影響著阻尼比沿其曲線由小到大的變化。結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)也表現(xiàn)在能力譜曲線上必有一點(diǎn)的譜值與該點(diǎn)同阻尼比需求譜的重合。

3.1.3罕遇地震下的結(jié)構(gòu)位移

由結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，可得相應(yīng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)各層變形即反映結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各層的位移。計(jì)算結(jié)構(gòu)層間位移角，與規(guī)范要求對比，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足大震變形要求。由結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布，判斷結(jié)構(gòu)薄弱層所在。

3.2使用的程序和計(jì)算模型

本工程采用PKPM2010-EPDA&PUSH進(jìn)行推覆分析。

3.2.1計(jì)算假定

本工程為簡化模型，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型中采用了剛性樓板假定，罕遇地震作用下地震影響系數(shù)最大值αmax（g）=0.900，特征周期Tg（S）=0.400，這一模型已能滿足計(jì)算精度要求。

3.2.2加載順序

豎向與水平荷載分三步施加于結(jié)構(gòu)上，如下所述：

第一步：施加重力荷載，荷載取值為重力荷載代表值；

第二步：維護(hù)第一步所施加的重力荷載不變。水平作用力值從零開始逐步增加，每次增加一個小的增量。隨著非線性靜力分析的進(jìn)行，監(jiān)視屋頂在水平作用力方向的水平位移。當(dāng)屋頂水平位移超過預(yù)見的水平水移值時(shí)，非線性靜力分析在人工干預(yù)下結(jié)束。

3.3PKPM Pushover分析結(jié)果

對于靜力彈塑性的研究與闡述，我們主要采用EPDA/ PUSH程序理論為基礎(chǔ)，通過PUSH程序進(jìn)行全面科學(xué)的分析。其主要作用是通過結(jié)構(gòu)模型對彈塑性抗震性能的實(shí)驗(yàn)與考核對基本結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行計(jì)算與數(shù)據(jù)分析。以倒三角形分布規(guī)則為基礎(chǔ)，采用假定的剛性樓板與加載的側(cè)向性味原理，將基底剪力與總重量的比率數(shù)值歸算等于1。在進(jìn)行PUSH程序計(jì)算分析過程中，模擬地震發(fā)生時(shí)荷載力，在建筑物的X向和Y向分別施加力量并得出相應(yīng)的結(jié)果，見圖2～5。

圖2　X向抗倒塌驗(yàn)算圖（大震）

圖3　Y向抗倒塌驗(yàn)算圖（大震）

圖2和圖3說明了水平推覆力、最大層間位移角和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜三者之間的相互關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的基本自振周期，縱坐標(biāo)分別表示了地震影響系數(shù)和結(jié)構(gòu)的最大層間位移角。周期-加速度曲線（即能力曲線）與Ⅷ度抗震設(shè)防下的罕遇地震需求譜曲線相交，由交點(diǎn)向上，與周期-最大層間位移角曲線相交，所對應(yīng)的縱坐標(biāo)表示了在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的塑性層間位移角，分別為1/187（X方向）和1/122（Y方向）。當(dāng)彈塑性分析推覆達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，X向和Y向均能滿足國家規(guī)范規(guī)定的1/50（框架結(jié)構(gòu)）的限值要求。

能力曲線與起到地震預(yù)防與保護(hù)作用的罕遇地震需求譜曲線兩者之間交匯的共同點(diǎn)為建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌、抗震幅的性能點(diǎn)。通過以往的地震經(jīng)驗(yàn)與模型對比分析，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的塑性層間位移角，分別為1/187（X方向）和1/122（Y方向），小于規(guī)范要求的1/50的層間位移要求，且塑性鉸主要出現(xiàn)在支撐位置和與支撐相鄰的框架梁端部等部位，表明該結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，即使發(fā)生Ⅷ度抗震設(shè)防下的罕遇地震，結(jié)構(gòu)仍然能夠保證主體不發(fā)生整體倒塌。

性能控制點(diǎn)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)如圖4～5所示。

在pushover分析過程中，作用X方向推覆力時(shí)，塑性鉸均出現(xiàn)在防屈曲支撐和部分的框架梁的梁端，達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，少量柱端出現(xiàn)塑性鉸。

圖4　X向塑性鉸分布圖

圖5　Y向塑性鉸分布圖

作用Y方向推覆力時(shí)，首先在屈曲約束支撐出現(xiàn)塑性鉸，然后在部分梁端出現(xiàn)塑性鉸，隨著推覆的不斷深入，其他各層開始出現(xiàn)梁鉸，達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，整個結(jié)構(gòu)的大多數(shù)屈曲約束支撐基本進(jìn)入了塑性階段，而少量柱端出現(xiàn)塑性鉸，符合強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)概念。

4　Pushover分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)靜力彈塑性Pushover分析的結(jié)果表明：

（1）從結(jié)構(gòu)性能的觀點(diǎn)來看，推覆分析所得到結(jié)構(gòu)的能力曲線，不論是X向，還是Y方向，都能穿越罕遇地震反應(yīng)譜曲線。結(jié)構(gòu)的整體性適用程度與結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的可塑性變形程度共同保障結(jié)構(gòu)的總體安全性。Pushover整體性能的評估將通過彈塑性層間位移角的大小、結(jié)構(gòu)頂部位移的距離以及底部結(jié)構(gòu)塑性過程的發(fā)展情況加以體現(xiàn)。構(gòu)件則通過構(gòu)件塑性鉸的變形發(fā)展程度來評估。性能控制點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形數(shù)據(jù)見表1，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)能做到“小震不壞，大震不倒”。

表1　性能控制點(diǎn)處的相關(guān)指標(biāo)

（1）根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）中的第5.5.5條規(guī)定，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角應(yīng)小于1/50的限值［3］。該結(jié)構(gòu)在水平荷載模式的推覆分析結(jié)果中，最大層間彈塑性位移角為1/122，滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性變形要求；

（3）從塑性鉸的分布和出現(xiàn)順序可以看出：屈曲約束支撐率先屈服耗能，隨后出現(xiàn)梁鉸，達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，少量柱端出現(xiàn)塑性鉸。

5　結(jié)論

該結(jié)構(gòu)在大震作用下能發(fā)揮屈曲約束支撐率先屈服的機(jī)制，在大震下率先屈服耗能，發(fā)揮其第一道防線的作用，且可實(shí)現(xiàn)梁先于柱子屈服的合理機(jī)制，且增加屈曲約束支撐后能很好滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”［3］的抗震性能目標(biāo)。

［1］《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［S］.

［2］PKPM2010版說明書系列－PUSH&EPDA多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動力分析軟件用戶手冊.

［3］《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）［S］.

TU352.1

A

2095-2066（2016）26-0157-03

2016-7-13

伍定一（1979-），男，一級注冊結(jié)構(gòu)工程，院副總工程師，工學(xué)碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。