高層鋼框架屈曲約束支撐結構設計要點

劉正雄，鄭希明

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 屈曲約束支撐簡介

為提高高層鋼框架結構的承載能力和側向剛度，避免過多地加大梁柱截面而增加用鋼量，常在框架中布置豎向支撐，使結構在承受水平風荷載、地震荷載時，框架有兩道抗側力防線。普通支撐受壓會產生屈曲現象，當支撐受壓屈曲后，剛度和承載力急劇降低。為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在支撐外部設置套管，約束支撐的受壓屈曲，構成屈曲約束支撐（BRB），如圖1 所示。屈曲約束支撐的滯回性能優良，通過合理、有效地布置，可以全面提高傳統的支撐框架在中震和大震下的抗震性能[1]。

圖1 屈曲約束支撐

屈曲約束支撐僅芯板與其他構件連接，所受的荷載全部由芯板承擔，外套筒和填充材料僅約束芯板受壓屈曲，使芯板在受拉和受壓下均能進入屈服[2]。因而，屈曲約束支撐的滯回性能優良，一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷，另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力，使得主體結構在中地震下基本處于彈性范圍內[3]。

2 屈曲約束支撐優點

2.1 承載力高

抗震設計中，普通鋼支撐承載力設計值為：

式中，φ 為軸心受壓構件的穩定系數；A為支撐的截面面積；f為支撐材料強度設計值；λn為支撐的正則化長細比，λn=（λ/π）（其中，λ 為支撐長細比；fy為鋼材屈服強度；E為鋼材彈性模量）。

屈曲約束支撐承載力設計值為：

式中，A1為約束屈服段的鋼材截面面積；fy為芯板鋼材的屈服強度標準值。

容易看出，普通鋼支撐承載力由其構件穩定系數φ 控制，而屈曲約束支撐承載力不受穩定性約束。兩者相減可得：當長細比λ＞18 時，承載力設計值屈曲約束支撐大于普通鋼支撐，一般屈曲約束支撐都可以滿足。

2.2 延性與滯回性能好

彈性階段工作時，屈曲約束支撐就如同普通支撐，可為結構提供很大的抗側剛度；彈塑性階段工作時，屈曲約束支撐變形能力強、滯回性能好，就如同一個性能優良的耗能阻尼器[4]，兩者滯回曲線對比見圖2。

圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對比

3 高層鋼框架屈曲約束支撐結構設計

3.1 工程概況

北京世紀壇醫院急診急救綜合樓，建筑面積61500m2，其中地上44200mm2，地下17300m2。主體地下3 層，地上12 層，5 層及以下為一底盤，5 層以上分為雙塔。根據建筑功能，本項目不分縫，按大底盤結構設計。上部結構為鋼框架+屈曲約束支撐，基礎為平板筏基+上柱墩。地震設計參數：場地類別Ⅱ類，設防烈度8 度（0.2g），抗震設防類別乙類，設計地震分組第二組，特征周期0.4s。地上鋼材牌號：鋼框柱、主梁Q345C，次梁Q345B，支撐Q235B。

3.2 結構超限判別

根據本工程的結構體系及平面布置，判斷結構的超限情況見表1。

表1 結構超限判別

結論：根據JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》[5]3.3.2，4a 與4b 同屬側向剛度不規則，不重復計算不規則項，故本工程同時存在2 項不規則情況，屬于建筑形體不規則類型，但不屬于超限高層建筑。

3.3 性能目標

根據構件的重要性，確定結構構件的抗震性能目標，如表2 所示。

表2 結構構件性能目標

本項目地上主要構件均為鋼材，試算發現地上結構難以滿足高承載力要求，而延性較好。按GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[6]17.1，經綜合分析比較，主體結構為性能6，乙類設防下對應的結構構件最低延性等級為Ⅰ級，即按高延性、低承載力設計。

3.4 設計流程

1）對無控模型進行小震反應譜法計算，初步確定減震目標，預估阻尼器數量。

初步確定方案，采用盈建科軟件1.9.2.0，對世紀壇醫院無支撐純框架結構進行整體計算分析，通過阻尼比試算預估阻尼器數量，地上約100 個。也可按照建筑面積估算屈曲約束支撐數量，按經驗平均每500m2設1 個，世紀壇醫院地上部分建筑面積約48000m2，需支撐數約96 個。

2）初步設計有控模型，進行小震反應譜法計算。

屈曲約束支撐可選用單斜撐、人字型或V 型支撐，布置時可依照以下原則：（1）地震作用下產生較大支撐內力的部位；（2）地震作用下層間位移較大的樓層；（3）宜沿結構2 個主軸方向分別設置；（4）可采用中心或偏心支撐的布置形式，當采用偏心支撐布置時，設計中應保證支撐先于框架梁屈服。初步選取2 種屈曲約束支撐等效截面 120mm×120mm×40mm×40mm、 120mm×120mm×20mm×20mm，布置完成共108 個。有控模型見圖3。

圖3 有控結構模型

輸入支撐的初始剛度和阻尼，對有控模型進行小震反應譜法計算，查看其層間位移角和位移比。

3）有控模型計算支撐的有效剛度和阻尼。

在盈建科軟件“彈性時程分析”模塊的“人工波生成”對話框上生成一條和規范譜擬合得非常好的人工波，在“直接積分法時程計算參數”中勾選“計算減隔震元件有效剛度和阻尼”，進行直接積分法時程分析，計算后查看能量曲線和內力滯回曲線，一層支撐滯回曲線見圖4。可以看出，小震下BRB 基本處于彈性，無剛度退化，未進入塑性耗能階段。

4）將有效剛度和阻尼代入支撐，對有控模型再次進行小震反應譜法計算。

圖4 小震下支撐內力滯回曲線

勾選設計參數“地震信息”中的“連接單元的有效剛度和阻尼自動采用直接積分法時程計算結果”，軟件將上一步得到的支撐有效剛度和阻尼代入模型重新計算，計算完成查看位移角和位移比。在設計結果的“周期振型”中查看計算得出的阻尼比，減去計算參數中全樓阻尼比，即可得到附加阻尼比結果。

5）查看結果并優化得到理想設計方案。

優化支撐截面，最終計算得到4 種屈曲支撐等效截面，截面尺寸及對應BRB 型號見表3。

表3 支撐等效截面尺寸及對應BRB型號

通過對比本項目加設屈曲約束支撐和未設支撐的結構，在2 方案主要指標均滿足設計要求的情況下，用鋼量對比見表4。

表4 無支撐與有支撐方案用鋼量對比

可見，無支撐時梁、柱型鋼截面較大，用鋼量為5731t，加支撐時用鋼量為5429t，用鋼量節省302t，約5.6%，且屈曲約束支撐增加了結構的可靠度。綜合考慮，采用鋼框架-屈曲約束支撐結構優勢明顯。

6）對特殊構件中大震分析驗算。

導入地震波，進行動力彈塑性分析后，得到能量曲線和一層支撐的滯回曲線（見圖5、圖6）。可以看出，大震下BRB 和主體結構均進入塑性階段，BRB 耗能作用明顯。

圖5 大震能量曲線

圖6 大震下支撐內力滯回曲線

4 結語

1）本文對高層鋼框架-屈曲約束支撐結構的設計流程進行了梳理，流程見圖7。

圖7 高層鋼框架- 屈曲約束支撐結構設計流程圖

2）屈曲約束支撐對高層鋼框架的抗震性能影響明顯，在提高結構抗側剛度、節省鋼材、減輕結構自重、耗散地震能量等方面發揮著重要作用。

3）高層鋼框架布置屈曲約束支撐時宜重點考慮層間位移較大及薄弱部位，如低樓層、邊跨、梯井等。

4）高層鋼框架結構一般側向剛度較弱，但延性較好，在中高烈度設防區域，選取性能目標時建議采用高延性低承載力設計，通過控制構件截面板件寬厚比提高結構延性。