蔡天元，楊艷敏*，謝曉娟，王 鵬，孟祥琨，熊 瑛

（1：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118；2：吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，吉林 長春 130011）

0 引言

屈曲約束支撐（BRB）是一種耗能優(yōu)良的支撐構(gòu)件，許多工程將支撐運(yùn)用于框架，組成屈曲約束支撐框架[1]。針對傳統(tǒng)屈曲約束支撐自重大、構(gòu)造復(fù)雜與造價高等問題, 筆者提出了一種切削十字型屈曲約束支撐,其填充材料采用輕骨料混凝土,有效降低支撐自重。與傳統(tǒng)支撐相比,通過切削工藝,將核心段削薄,節(jié)省材料,使支撐的端部和核心部分同時發(fā)生破壞。為避免端部過早出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞，在屈曲約束支撐過渡段采用25 °斜坡。且該屈曲約束支撐構(gòu)造簡單,均為地域性材料,減少運(yùn)輸費(fèi)用及降低成本,制作方便。

本文通過SAP2000 有限元分析軟件對某鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下時程分析, 通過對比原結(jié)構(gòu)和增設(shè)新型屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)層間位移角、頂點(diǎn)位移、頂點(diǎn)加速度，研究新型屈曲約束支撐對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響。

1 支撐設(shè)計

新型切削十字型屈曲約束支撐以輕骨料混凝土（1 650 kg/m3～1 850 kg/m3）作為填充材料，有效降低了自重。角鋼采用切削工藝,核心單元由2 根角鋼直接對焊設(shè)計而成。核心段采用點(diǎn)焊形式，有效減少焊接殘余應(yīng)力。支撐長為1 300 mm，外包鋼套管長為950 mm，截面尺寸100 mm×100 mm×2.5 mm，試件尺寸如圖1 所示。

圖1 BRB 試件尺寸圖(mm)

連接段橫截面面積分別為耗能段橫截面面積的1.5 倍和2.1 倍，確保芯材核心耗能段達(dá)到塑性階段時連接端仍處于彈性階段。連接段和核心耗能段之間設(shè)25 °平緩過渡段[2]，減少截面突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中。在過渡段粘貼泡沫塑料，保證芯材在拉壓作用下能夠縱向自由伸縮。芯材中段設(shè)置限位卡，防止約束單元沿豎向發(fā)生剛體位移。限位卡與核心段截面坡角采用16 °進(jìn)行過渡, 避免此處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的集中應(yīng)力。

2 鋼框架設(shè)計

設(shè)計1 棟5 層鋼框架結(jié)構(gòu)模型，通過運(yùn)用SAP2000 有限元軟件，對未加支撐的原結(jié)構(gòu)模型與增設(shè)新型屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元模擬分析，研究新型屈曲約束支撐對框架抗震性能的影響。模型尺寸相同，均為5 層一字型鋼框架，各層層高均為4 m，結(jié)構(gòu)總高度為20 m，結(jié)構(gòu)平面圖如圖2 所示。梁柱均采用Q235H 型鋼，連接方式均采用剛性連接，樓板混凝土等級為C30。

主要構(gòu)件尺寸見表1，設(shè)計地震分組為第1 組，場地類別為II 類，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防8 度，雪荷載0.40 kN/m2，基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，1 層～5 層恒荷載均為5 kN/m2，1 層～4 層活荷載為2 kN/m2，頂層活荷載為0.5 kN/m2。結(jié)構(gòu)立面圖如圖3 所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)尺寸mm

圖2 結(jié)構(gòu)平面圖（mm）

圖3 結(jié)構(gòu)立面圖（mm）

3 時程分析

3.1 地震波選取

地震波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，采用不同的地震波進(jìn)行分析時，即使在峰值加速度相同，計算結(jié)果仍會存在很大偏差。為使計算結(jié)果更加合理，要求選取的地震波不少于2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1 組人工波[3]，本文共選取3 條地震波用于結(jié)構(gòu)動力分析，分別為2 條天然波Kobe 波（簡稱KB 波）、WenChuan波（簡稱WC 波）和1 條人工波LanZhou 波（簡稱LZ波）。時程分析是更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)動力分析，并且可以輸出地震作用下每一時刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移響應(yīng)的全過程[4]。本文通過運(yùn)用SAP2000 有限元軟件在3 種地震波作用下對鋼框架結(jié)構(gòu)與支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下時程分析, 通過測量結(jié)構(gòu)層間位移、頂層位移及頂層加速度,研究新型屈曲約束支撐對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

3.2 層間位移角

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010（2016 版）[5]要求，在多遇地震下，地震波峰值加速度采用0.07 g/s2。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的層間位移角如圖4～圖6 所示。

由圖4～圖6 可知,兩結(jié)構(gòu)層間位移角曲線發(fā)展趨勢較為一致，每組地震作用下層間位移角最大值均滿足限值要求，層間位移角最大值都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間層，支撐-框架結(jié)構(gòu)層間位移角略小于鋼框架結(jié)構(gòu)。

圖4 KB 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

圖5 WC 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

圖6 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

3.3 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移

2 條天然波的持時設(shè)定為20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0，所以取其前10 s 進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的頂層位移如圖7～圖9 所示，圖中橫坐標(biāo)表示時間，s；縱坐標(biāo)表示頂層位移，mm。

由圖7～圖9 可知，兩結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下頂點(diǎn)位移曲線發(fā)展趨勢較為一致，每組地震作用下BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂層位移最大值較KJ 結(jié)構(gòu)均有明顯減小，且BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂層位移達(dá)到峰值的時間均滯后于KJ 結(jié)構(gòu)。

3.4 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度

2 條天然波的持時設(shè)定為20 s，由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0，所以取其前10 s 進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的頂層加速度如圖10～圖12 所示，圖中橫坐標(biāo)表示震動持續(xù)時間，s；縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)頂層加速度，g。

由圖10～圖12 可知，兩結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下頂點(diǎn)加速度發(fā)展趨勢較為一致，每組地震作用下BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度最大值較KJ 結(jié)構(gòu)均有明顯減小，且BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度達(dá)到峰值的時間均滯后于KJ 結(jié)構(gòu)。

圖7 KB 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時程曲線

圖8 WC 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時程曲線

圖9 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時程曲線

圖10 KB 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線

圖11 WC 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線

圖12 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線

4 結(jié)論

本文運(yùn)用SAP2000 有限元軟件在多遇地震作用下進(jìn)行抗震性能分析，研究切削型屈曲約束支撐對鋼框架抗震性能的影響，得出以下結(jié)論。

1）結(jié)構(gòu)均在中間層出現(xiàn)最大層間位移角，支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.01，小于鋼框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角0.016，可見增加新型屈曲約束支撐能有效提高結(jié)構(gòu)剛度。

2）支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)中的頂層位移和頂層加速度達(dá)到峰值的時間大多都滯后于鋼框架結(jié)構(gòu)，并且前者頂層位移和頂層加速度較鋼框架結(jié)構(gòu)減小35.8%和43.7%，說明屈曲約束支撐可以有效減小動力響應(yīng)，起到耗能減震的作用。

3）加設(shè)新型屈曲約束支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在WenChuan 波下頂點(diǎn)位移、頂點(diǎn)加速度等抗震參數(shù)較原鋼框架結(jié)構(gòu)減少最明顯，可見新型屈曲約束支撐在WenChuan 波能可發(fā)揮最大作用。

4）切削十字型屈曲約束支撐采用輕骨料混凝土為填充材料，有效降低了自重，且造價低廉，構(gòu)造簡單，可應(yīng)用于實(shí)際工程。