屈曲約束支撐在教學樓設計中的應用研究★

石 勇 尚世力 盧曉明 岳焱超 王新娣

(1.太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024;2.西安交通大學，陜西 西安 710049;3.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200082)

0 引言

自2008 年汶川地震以后，國家進一步加大了對防災抗震領域的投入。隨后修訂的GB 50011—2010 建筑抗震設計規范［1］擴大了隔震和消能減震房屋的適用范圍，并對消能技術做了重點介紹。甘肅省，山西省有關部門也相繼出臺了關于在學校醫院等乙類建筑中強制性采用減隔震技術的文件。傳統經驗表明［2］:單一抗側力結構體系相比于雙重抗側力結構體系更易于倒塌，且破壞程度更大。純框架結構就屬于一種單一抗側力體系結構，但是若采用屈曲約束支撐后就會使結構成為雙重抗側力體系，地震發生時，混凝土框架和屈曲約束可以同時為結構抗震的兩道防線，其中屈曲約束支撐作為結構抗震的第一道防線，作用類似于電器元件中保險絲，在地震發生時先于框架梁柱破壞，從而使整體結構具有更加優良的抗震性能以及抗側能力，使得結構更加安全。

屈曲約束支撐在受拉以及受壓時均可屈服，延性較好，滯回曲線更為飽滿，不僅可以作為抗側力構件提高結構的側向剛度，同時又作為消能支撐，在屈服耗能的過程中實現消能減震［3，4］。國際上，將屈曲約束支撐運用于抗震工程實際的做法很多［5，6］，但一般都是用于鋼結構建筑中，而將其作為混凝土結構抗側力構件的應用還在不斷的研究中。本文結合某中學教學樓的實例，具體闡述了屈曲約束支撐對框架結構抗震性能的提升作用。

按照抗震設計規范［1］規定要保證結構小震不壞，即在小震時結構處于彈性階段，彈性階段設計采用的是PKPM 中SATWE 模型進行彈性設計，可以滿足抗震規范［1］對結構小震不壞的要求。只考慮結構在小震不壞是不夠的，抗震規范還要求結構在罕遇地震下不倒，以保證在發生大震時人民生命財產安全，大震不倒，需要對結構做彈塑性分析，目前彈塑性分析的軟件有很多，本文采用MIDAS GEN 對結構進行彈塑性分析，來驗算結構是否滿足大震不倒的要求。

1 工程概況

在建的中學位于某8 度區，占地面積1 284 m2，總建筑面積15 020 m2，包括教學樓，行政樓，實驗樓等，其中教學樓面積為3 793 m2，該建筑地上5 層，局部6 層，室內外高差0.3 m～1.2 m。本文主要介紹教學樓的屈曲約束支撐的應用情況。

本工程采用框架—支撐結構體系，屈曲約束支撐采用同濟大學研制，上海藍科減震公司經銷的屈曲約束支撐，其整體結構模型見圖1a)，平面布置圖見圖1b)。

2 結構設計

圖1 工程結構模型及BRB 平面布置圖

結構設計的基本參數和主要構件截面如表1 所示。

表1 設計基本參數

本項目如果只采用純框架結構，結構的抗側剛度將無法滿足要求，并且也無法滿足規范中層間位移角的要求［7］，此時若采用其他解決方式，比如加大柱截面，勢必會影響建筑空間的使用，從而影響建筑的使用功能，因此這種做法是不合理的;而若是改用框剪結構，通過局部布置剪力墻來提高抗側能力，又會影響建筑的外立面效果，從而帶來新的問題;如果采用普通鋼支撐，在地震作用下支撐承受軸力會很大，很容易出現屈曲，為避免支撐屈曲勢必會加大支撐截面，從而使支撐在地震作用下受力更大［9］，所以這種做法同樣不可取。本文采用屈曲約束支撐來設計此教學樓，不僅使結構的抗側剛度顯著提高，同時又能顯著減小支撐截面和節點區的剪力，符合結構設計經濟安全合理的要求。

在結構的特定位置設置一些屈曲約束支撐，可以使結構的層間位移、扭轉位移比、平扭周期比等整體指標滿足規范要求。屈曲約束支撐的設計需要根據結構所需抗側剛度來確定芯板截面。屈曲約束支撐的承載力是通過受力分析計算得到的。屈曲約束支撐型號見表2。

表2 屈曲約束支撐型號表

3 多遇地震作用下的結構分析計算

首先在彈性階段采用的是SATWE 模塊對該結構進行計算分析，并對兩種計算方案進行比較:一種是沒有用屈曲約束支撐的普通方案，另一種是采用屈曲約束支撐的方案，兩種方案的計算結果見表3，表4。

表3 無屈曲約束支撐方案計算結果

表4 屈曲約束支撐方案計算結果

通過上述計算可以得出，對于純框架而言結構的抗側剛度明顯不足，X 向和Y 向層間位移角不符合規范;但是采用屈曲約束支撐方案就可以很好的滿足規范要求。

圖2 表示X 方向和Y 方向的層間位移角曲線，屈曲約束支撐大幅提高了上部結構的抗側剛度，弱化了地震發生時結構的位移響應。

圖2 層間位移角曲線

通過PKPM 中的計算可知在多遇地震下，部分樓層BRB 的應力為0.8～0.9，其余多數在0.5 左右，可以滿足BRB 在小震下彈性性能要求，預計在設防地震中部分支撐開始屈服，但大部分的支撐仍處于彈性工作階段。總體上，屈曲約束支撐使結構自重僅僅增加39.893 t，遠小于結構自重(不到0.9%)，但是卻使得結構的抗側剛度得到明顯改善，使得結構的抗震性能明顯增強，并且屈曲約束支撐易于安裝，減少了現場作業，提高了施工效率，使綜合性效益實現最大化。

4 罕遇地震作用下的結構分析計算

本工程采用MIDAS GEN 對屈曲約束支撐—混凝土框架結構進行PUSHOVER 靜力彈塑性分析，來驗算結構是否滿足抗震規范對結構大震不倒的要求。

4.1 MIDAS GEN 與PKPM 的彈性階段對比

為了保證MIDAS GEN 分析的可靠性，將MIDAS GEN 與PKPM 的彈性設計階段進行對比，主要對比參數見表5。

表5 PKPM 與MIDAS GEN 主要參數對照表

通過表5 分析，PKPM 與MIDAS GEN 在彈性階段計算誤差都在10%以內，兩個軟件計算吻合的很好，因此可以認為靜力彈塑性的分析模型跟彈性分析模型是一致的。

4.2 梁、柱、支撐的塑性鉸參數設置

梁端設置MIDAS 提供的缺省的自動混凝土梁彎曲My 鉸本構模型，柱頂和柱底設置MIDAS 提供的缺省的鋼柱自動PMM鉸本構模型，屈曲約束支撐根據本身特性定義的P 鉸本構模型，參數主要由屈曲約束支撐的屈服強度和剛度折減系數確定，屈服位移由計算機自動計算，屈曲約束支撐的主要參數如表6所示。

4.3 大震作用下的性能點確定

通過對模型X 和Y 方向推覆分析來尋求8 度(0.2g)地震作用下結構的性能點。將PUSHOVER 計算得到的力—位移關系和大震下的反應譜分別轉換為能力譜和需求譜，并統一繪在坐標系中，見圖3。

表6 屈曲約束支撐P 鉸本構參數

圖3 PUSHOVER 分析性能點

由圖3 可以得到大震性能點處的基底剪力，定點位移及阻尼比情況，具體值見表7。

表7 性能點處的主要參數值

4.4 罕遇地震下出鉸情況

圖4 是在罕遇地震下結構中支撐出鉸情況，圖5 是在罕遇地震下結構中梁出鉸情況，圖6 是在罕遇地震下結構中柱出鉸情況。在罕遇地震下，屈曲約束支撐先于梁柱出鉸，在梁柱出鉸順序中，梁先于柱出鉸，結構整體設計滿足“強柱弱梁”，屈曲約束支撐作為結構第一道防線，最先出鉸耗能，屈曲約束支撐消耗的地震能量，使得地震對梁柱的破壞大大減輕，達到了預期設計目的。

圖4 屈曲約束支撐出鉸示意圖

4.5 罕遇地震作用下彈塑性分析的層間位移及層間位移角

圖7 是在罕遇地震作用下進行彈塑性分析得到的層間位移，圖8 是在罕遇地震作用下進行彈塑性分析得到的層間位移角，由圖7，圖8 得到的最大層間位移和最大層間位移角具體數據如表8所示。

圖5 梁出鉸示意圖

圖6 柱出鉸示意圖

圖7 層間位移曲線

圖8 層間位移角曲線

表8 罕遇地震下結構的變形

由上面分析知，在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐首先進入出鉸耗能，隨后梁柱出現塑性鉸，其中梁先于柱出鉸，整體上結構滿足“強柱弱梁”形式，使用屈曲約束支撐能夠率先消耗地震能量，大大減小地震力對梁柱的破壞，保護了整體結構，滿足大震不倒的抗震設計要求。

5 結語

根據彈性分析和彈塑性分析結果，混凝土框架結構—屈曲約束支撐體系使結構的整體抗震性能得到顯著提高。

1)屈曲約束支撐可以為結構提供足夠的剛度和承載力。在本工程中采用屈曲約束支撐的方案，能夠使各項整體指標均滿足規范要求;而沒有采用屈曲約束支撐的方案，結構的層間位移角達不到規范要求。

2)該工程選用的屈曲約束支撐滿足計算要求，符合小震彈性、中震屈服的設計目標;在罕遇地震下屈曲約束支撐能夠繼續屈服耗能，構成了結構第一道防線，保護了梁柱，使得梁柱成為第二道防線，滿足抗震性能化設計要求。

3)總體上，屈曲約束支撐使結構自重僅僅增加39.893 t，遠遠小于結構自重(不到0.9%)，屈曲約束支撐易于安裝更換，使施工效率顯著提高，使綜合性效益實現最大化。

［1］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］Jinkoo Kim，Youngil Seo.Seismic design of low-rise steel frames with buckling-restrained braces［J］.Engineering structures，2004，16(5):543-551.

［4］Uang Chia-ming，Nakashima Masayoshi，陸 燁.屈曲約束支撐體系的應用與研究進展(I)［J］.建筑鋼結構進展，2005，7(1):1-12.

［5］Xie Q.State of the art of Buckling Restrained Braces in Asia［J］.Journal of construction Steel Research，2005，61(6):39-40.

［6］JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［7］李國強，胡寶琳，孫飛飛，等.國產TJ 型屈曲約束支撐的研制與試驗［J］.同濟大學學報，2011，39(5):631-636.

［8］上海藍科鋼結構技術開發公司.TJ 型屈曲約束支撐設計手冊［Z］.2010.

［9］解志強.屈曲約束支撐在混凝土框架結構中的工程應用［J］.建筑鋼結構進展，2012(10):105-106.

［10］北京邁達斯技術有限公司.midas gen 工程應用指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.