高烈度區屈曲約束支撐鋼框架的抗震性能分析

屈國紅

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

在當前社會大力推進裝配式建筑發展的背景下，鋼框架結構由于其易于裝配、節能環保、輕質高強、施工周期短等諸多優勢被廣泛采用。但純鋼框架結構的側向剛度較小，在高烈度區，由于地震作用力較大，即使是用于多層建筑，往往也要采用較大的梁柱截面才能滿足結構設計規范所要求的各項整體控制指標，而過大的梁柱截面又會導致鋼結構的強度不能充分利用，還可能影響建筑的使用功能。近些年來，通過對設有屈曲約束支撐結構形式的不斷深入研究表明：屈曲約束支撐（BRB）工作性能穩定，耗能良好，若在主體結構中布置適量的BRB，則可減小結構的地震響應，在梁柱截面保持經濟的同時又能顯著提高結構的抗震設防能力[1]。

1 工程概況及方案選定

本工程為山西太原轉型綜改示范區某辦公樓。建筑主體為地下兩層，地上五層，總高度為22.8m。設防烈度Ⅷ度（0.20g），地震分組二組，場地類別Ⅲ類，特征周期為0.55s，抗震設防類別丙類。結構體系選用鋼框架—屈曲約束支撐結構。工程所使用的主要構件參數見表1。

表1 結構主要構件參數

由于本工程地上3～5 層，建筑平面呈“L”型布置，且凹凸尺寸較大，導致結構扭轉所帶來的不利影響較大，且結構主體為鋼結構，側向剛度相對較小，而本工程又位于8 度設防地區，如不采取有效措施即使在多遇地震作用下，所計算的結構整體指標也較難滿足規范要求。

如采用鋼框架普通支撐結構體系，普通鋼支撐受壓易屈曲失穩，影響結構的抗側剛度，并且鋼材的強度不能得到有效利用，鋼支撐的耗能能力也無法充分發揮。因此對鋼支撐的長細比要求控制較為嚴格，若加大支撐的截面則導致結構的梁柱截面尺寸隨之加大，進而增加整體工程的成本，十分不經濟。

如采用鋼框架—屈曲約束支撐體系，由于BRB 采用特殊構造能有效避免受壓屈曲，從而充分發揮支撐的耗能能力，且其工作性能穩定，在大震下能有效減小主體結構的地震響應，進而保護主體結構的柱和梁使其避免遭受嚴重損傷，對震后的修復工作也比較便利，同時可減小主體結構梁、柱構件的截面尺寸，使結構體系更經濟合理[2]。

2 結構計算分析

本工程用YJK 程序建立模型，對其在小震作用下進行彈性時程分析，并采用YJK-EP 程序分析其大震下進行動力彈塑性時程分析。在建立模型時考慮帶地下室進行分析時地震作用的不確定性，為了使分析結果更加具有參考性，對本結構實際模型進行適當簡化，去掉地下室只保留上部的主體結構進行模型的建立及分析。

2.1 地震波的選取

地震波選擇的合適與否對結構的時程分析具有重要意義。本文依據文獻[3]的選波相關規定選取3 條符合條件的地震波。其中條天然波分別為Mt.Lewis_N0_502,Tg（0.55）和San Fernando_N0_57,Tg（0.55）。1 條人工波為Artwave-RH4TG055,Tg（0.55）。

2.2 小震作用下的相關指標計算及典型支撐的滯回曲線圖

小震作用下，主體結構X 向的最大層間位移角為1/340＜1/250，另一主軸Y 向的最大層間位移角為1/382＜1/250。結構兩主軸方向的彈性層間位移角均滿足文獻[3]5.5.1 款的要求。提取結構的前三階振型和周期見表2，可知前兩階振型分別為X 向和Y 向的平動，第三振型出現扭轉，符合設計目標，結構周期比為0.827/1.1816=0.7，整體的抗扭剛度較為良好。

表2 結構的前三階振型周期

再以天然波Mt.Lewis_N0_502,Tg（0.55）為例，查看小震下首層A 軸方向BRB 的內力滯回曲線見圖1，主體結構的能量曲線見圖2。

圖1 內力滯回曲線

圖2 能量曲線

由圖1、圖2 可知，在小震作用下，地震動所輸入的能量主要是由結構的整體阻尼來消耗，BRB 并未屈服，其作用是給結構每層提供抗側剛度和抗扭剛度，以滿足小震下結構層間位移角限值、周期比等整體指標，與結構方案確定的目標基本一致。

2.3 大震作用下的層間位移角及典型支撐的滯回曲線圖

大震作用下，仍以天然波Mt.Lewis_N0_502，Tg（0.55）為例，查看結構的彈塑性層間位移角，得出X 方向最大值為1/83＜1/50，Y 方向的最大值為1/79＜1/50。其值均滿足文獻[3]5.5.5 款的要求。大震下首層A 軸方向BRB 的內力滯回曲線見圖3，主體結構的能量曲線見圖4。

圖3 內力滯回曲線

圖4 能量曲線

由圖3、圖4 可知，在大震下BRB 開始屈服耗能，內力滯回曲線飽滿充分，耗能良好，且BRB 消耗的能量占主要地位，從而減輕主體結構的負擔達到保護結構的目的。

3 結語

綜上所述，本工程位于地震高烈度區，采用鋼框架—屈曲約束支撐體系后，結構在多遇地震作用下，布置的屈曲約束支撐保持彈性狀態，為主體提供一定的抗側移和扭轉剛度，以滿足小震設計的有關規定；當遭受罕遇地震作用時，屈曲約束支撐開始出現屈服并表現良好的耗能能力，從而減輕主體的地震響應，使層間彈塑性位移角滿足限值要求，保證結構具有適當的安全儲備。