BRB用于裝配式斜支撐節點鋼框架結構減震研究

胡 倩 孫 超

（1.武漢華夏理工學院 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430223；2.中冶華亞建設集團有限公司，湖北 武漢 430081）

0 引言

裝配式斜支撐鋼結構具有較高的承載力，良好的抗風、抗震性能，機械化程度高，更優異的保溫、吸振、隔音性能等特點[1-2]，裝配式斜支撐鋼結構建筑的推廣和應用符合我國轉變傳統住宅生產方式，大力推廣“適用、經濟、綠色、美觀”裝配化住宅的方針策略。裝配式斜支撐節點鋼框架結構是一種新型鋼結構體系，此結構體系突破了鋼結構體系只適用于多層建筑的限制，實現了向高層建筑的發展。

BRB[3]是由核心部分（芯材）、約束部分（鋼板、鋼管、混凝土）、滑動部分（無粘結材料）組成：核心部分承受各種壓力和拉力，約束部分確保核心部分達到完全屈曲前不提前進入屈服狀態，滑動單元主要是防止核心部分所受到的力傳遞到約束部分。屈曲支撐在彈性階段為主體提供抗側剛度，在地震作用下具有飽滿的滯回性能、耗能能力以及無受壓失穩的問題，多用于多高層建筑的消能減震。本文通過建立裝配式斜支撐節點鋼框架有限元分析模型，對比分析設置普通支撐結構和BRB 結構的地震效應。

1 工程實例

該工程為 21 層結構建筑，對結構建模分析時，為減少計算結果受結構不規則的影響，使結構布置更加合理化，簡化了結構的實際平面圖。結構橫縱都為6 跨，長為23.4m，層高為3.3m，結構從下往上均分為3 段，每段7層，各樓結構基本一致。

2 計算分析

為了分析BRB 對的減震效果，模型1 設置普通支撐；模型2 全樓層（1～21層）布置112 根斜撐1 和112 根柱撐1，布置112 根斜撐2 和112 根柱撐2，布置112 根斜撐3 和112 根柱撐3。

屈曲約束支撐布置在結構的四個邊跨處，屈曲約束支撐芯材材質為 HRB345，屈服強度標準值fy=345MPa，在布置屈曲支撐根據核心部分材料估計支撐的截面面積，并通過截面面積和核心部分的屈服強度計算BRB 的屈服承載力。

式中Nysc 為BRB 的屈服承載力，A1為約束屈服段的鋼材截面面積，A e 為等效截面面積，fy 核心部分鋼材的屈服強度標準值。其他詳細設計參數見表1。

表1 屈曲約束支撐設計參數

斜撐1225×225×25×25 20.0 17 6451.5 1980 2863.92柱撐1185×185×15×15 10.2 8.67 3290.3 1980 1460.61斜撐1200×200×20×20 14.4 12.24 4645.1 1980 2062.02柱撐1160×160×10×10 6.0 5.1 1935.5 1980 859.19斜撐1185×185×15×15 10.2 8.67 3290.3 1980 1460.61柱撐1155×155×10×10 5.8 4.93 1870.9 1980 830.54

2.1 模態分析

對無屈曲支撐的模型一有限元模型進行模態分析，結構的基本自振周期 3.01s，符合 GB50009-2012《建筑結構荷載規范》規定:T1= (0.10 ～ 0.15)n=（0.21～0.315）； (T1為建筑結構的基本自振周期，n 為建筑總層數)。

對模型2 進行的模態分析，結構的基本自振周期 2.88s 小于無屈曲支撐的自振周期 3.01s，雖然兩種支撐具有相同材料，芯材截面截面尺寸相差不多，但由于BRB 的作用，增強了結構的整體抗側剛度，結構的自振性能具有一定的提高。

2.2 BRB 的減震性能研究

本文將地震作用下的層間位移作為評價指標研究BRB 對裝配式斜支撐鋼框架的減震效果。對模型1、模型2 分別輸入EL－centro 波進行非線性時程分析，分析結果見圖1。

圖1 EL－centro 波作用下層間位移

模型1 在EL－centro 地震波下結構變形趨勢大致相同，通過圖1可以看出在8 層和15 層層間位移變化較大，主要是因為在8 層以及15 層構件的截面尺寸發生變化，相對其下層尺寸有一定的減小，故相對于其他層在8 層和15 層結構剛度相對減小，結構較為薄弱。

在地震作用下，模型1的層間位移最大值為30.1mm，層間位移角為1/140，不滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》要求；模型2 層間位移最大值為10.8mm，層間位移角為1/389，滿足規范要求。

圖1對比分析，設置BRB 可以大幅度減小結構頂層間位移，層間位移的最大值減小幅度達到64%證明了BRB 擁有良好的耗能作用。

圖2 模型1 EL－centro 波作用下能量圖

圖3 模型2 EL－centro 波作用下能量圖

通過對比分析模型1 和模型2 在 EL－centro 波作用下的能量分布圖，模型1 的地震輸入能量主要是結構自身阻尼消耗；模型2 的地震能量由BRB 和結構本身共同承擔；BRB 消耗地震輸入總能量的35%左右。說明通過設置BRB 有效地增加了結構的阻尼和耗能能力，保護了主體結構。

3 結論

3.1 裝配式斜支撐節點鋼框架在設置BRB 后對結構的自振周期影響不大，對結構的剛度提升不明顯。

3.2 通過非線性時程分析，BRB 表現出了具有良好的耗能能力，提高結構的延性消耗地震能量，降低結構的地震反應。

3.3 設置BRB 可以有效降低結構的層間位移，提高結構的剛度和承載力。