限制屈曲支撐(BRB)力學性能分析及其鋼框架抗震性能微探

陳旭元

（江蘇工程職業技術學院建筑工程學院， 江蘇 南通 226300）

0 前言

地震是一種極具毀滅性的自然災害，會造成建筑物的破壞與人員傷亡。我國是地震多發國家，因此對建筑物的抗震設計成為相關人員關注的重點，目前從相關地區研究可以發現，限制屈曲支撐（BRB）具有更理想的延性結構性能，可以強化鋼框架的抗震性能，因此值得關注。

1 限制屈曲支撐（BRB）力學性能分析

1.1 結構特征分析

限制屈曲支撐作為一種新型能耗抗震，無論是受壓還是受拉等都可以達到全截面屈服狀態，最終有效解決了傳統結構中存在的受壓易屈曲的問題。從力學性能來看，這種結構可以提供理想的抗側剛度，即使遇到罕見地震，也能大量的吸收地震能量，最終保證結構的整體穩定性。

從構造上來看，限制屈曲支撐主要可以分為兩個結構，分別為外圍約束套管單元與內核芯桿單元等，在結構設計上，設計人員通過向兩者之間填充一定數量的細石混凝土骨料、砂漿等，實現了外圍約束套管對內核芯桿的約束，改善其受壓屈曲問題。同時在設計期間，通過在外圍約束單元以及內核芯桿單元之間增設一層無粘結材料層，并預留一定的空隙，這種設計方法也有效改善外圍約束套管的受力情況。

1.2 限制屈曲支撐的穩定性研究

從結構穩定性角度來看，造成屈曲或者失穩的主要原因，是因為結構所承受的壓力造成了幾何改變，最終造成喪失承載力的問題，此時無論結構的復雜與否，其受力過程都可以從結構荷載的變化情況予以分析，在了解整個荷載過程中結構的穩定性與強度變化之后，就可以對其力學特征做進一步研究。

就目前而言，完善的軸心受壓構件與其他類型的失穩都會造成結構的改變，在根據圖1 的相關內容來闡述這個受力變化過程可以發現，根據其荷載-位移曲線的變化情況，可以明顯發現到：當壓力達到臨界荷載水平后，平衡路徑發生分岔，結構的未屈曲的直線開始向屈曲改變，此期間結構的穩定性發生變化。

圖1 穩定分岔失穩示意圖

而從設計的角度來看，在結構出現圖1 的失穩之后，其結構一旦出現屈曲，則會造成結構的剛度下降，并由此而引發不同程度的變形；但是此時還需要注意的是，結構在屈曲之后依然存在的強度，此時可以理解為結構具有承擔大于屈曲荷載的承載能力[1]。所以，這種屈曲破壞是有預兆的延性破壞。

受初始缺陷等因素的影響此類結構的平衡路徑轉變為一條穩定的上升型非線性曲線（如圖1 中的虛線），此時結構不再像理想桿件那樣存在分岔點。通過對這一問題進行分析后，認為初始缺陷對此類結構承載力的影響小，但是相比之下，結構的剛度下降速度明顯超過預期，因此所產生的變形更高，最終影響結構的正常使用。

2 限制屈曲支撐（BRB）鋼框架的抗震性能分析

在本次研究中，為了能夠對鋼框架的抗震性能作出正確的判斷，使用有限元分析元件對結構體系進行了詳細的討論，通過模擬地震環境，追蹤了結構體系的最終破壞模式。

2.1 模型的建立

某建筑物采用了八層鋼框架結構體系，建筑每層高度約為3.6m，總高度28.8m。在該建筑物的梁截面、柱截面設計中，選擇了熱軋普通H 型鋼，鋼材的屈服強度達到了215N/mm2；縱向柱、橫向柱的間距均為7.2m；樓板厚度為100mm，所使用的混凝土等級為C30。

該建筑物設計期間，按照8 度抗震標準設計，為Ⅱ類場地。

在本次研究中，假設樓板在自身平面內的剛度無限大，因此在有限元軟件分析過程中各層樓板所設置的剛性隔板可以滿足上述假定；分析期間不考慮建筑物自身與基礎之間的相互作用影響，因此在分析過程中，上部結構與基礎之間具有滿意的固結效果。

2.2 反應譜分析

在有限元分析的基礎上，軟件模擬結果顯示，在八層鋼框架結構上，第一振型為H 型鋼柱弱軸方向，即模型整體坐標的Y 軸方向，振動周期為1.8s；第二振型在X 軸方向上，周期為1.5s；第三振型為整體扭轉，周期為1.3s。在限制屈曲支撐的鋼框架下，其產生的層間位移角度滿足各地區的質量規范（≤1/300）。同時在對限制屈曲支撐鋼框架各層的的位移情況進行分析后，發現其整體上的位移水平（如基底剪力、層間位移角等）處于相對穩定的狀態，證明在該建筑物的仿真分析中，限制屈曲支撐結構體現出了相對理想的耗能性能。

2.3 時程分析

2.3.1 時程分析的基本假定

在對限制屈曲支撐鋼框架結構進行時程分析期間，本文結合有限元分析的要求提出了以下假設：（1）假設地基為剛性，因此在仿真分析中不需要考慮地基與上部結構的結合問題。（2）假定樓層的全部質量集中在樓板上，且樓層的剛度在平面內是無限大的。

2.3.2 地震波的選擇

地震時的地面運動是一種頻帶較寬的非穩定隨機過程，在不同的條件下，地震所能產生的效果是不同的，因此為了保證本次分析的穩定性，本文選取了具有代表性的EL-centro 波為地震波，對限制屈曲支撐鋼結構的抗震性能進行判斷。此時為了保證仿真結果的可靠性，對地震時的強度水平進行修真，將地震波的加速度峰值的所有離散點都按照固定值進行放大、縮小[2]。

2.3.3 多遇地震下的時程分析

在多遇地震的基礎上，本文將限制屈曲支撐鋼框架結構體系對應于EL-centro波下，并根據我國的相關質量標準對彈性時程進行分析，計算不同時程曲線的結構底部剪力結構。結果顯示，在多遇地震的EL-centro 波下，限制屈曲支撐鋼框架的時程分析結果為1465.26。根據相關數據可以證明，在多遇地震條件下，限制屈曲支撐鋼框架結構的側向位移明顯滿足相關規范要求，在這種地震環境下，限制屈曲支撐處于彈性狀態下，內核芯桿未屈服，證明此時鋼結構的整體造型相對穩定，沒有對結構的整體性能造成破壞。

2.3.4 罕遇地震下的時程分析

在按照上文的研究過程，分析了罕遇地震下的時程分析結果，根據仿真結果顯示，在罕遇地震條件下，因為該鋼框架具有限制屈曲支撐的存在，在地震環境下，內核芯桿達到了全截面屈服的效果，因此在改善結構側向剛度時發揮了滿意的耗能作用。根據這一結果可以判斷，在罕遇地震環境下，限制屈曲支撐良好的耗能性能和結構延性。

3 結論

在鋼框架設計中，限制屈曲支撐(BRB)因具有滿意的力學性能可以保證結構的穩定性，是一種科學的支撐設計方案。同時根據本文的有限元分析結果可知，在地震環境下，限制屈曲支撐鋼框架展示出了理想的穩定性，因此值得在更多地區做進一步推廣。