鋼框架防屈曲支撐結構的減震性能分析

姚 希

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100010）

0 引言

目前傳統的抗震結構設計方法往往側重于增加結構的強度和剛度，同時增加結構的柔韌性以承受地震響應。這種方法可以節省一定的工程費用，但由于地震的烈度和特征不明，強烈的地震會破壞建筑物，造成巨大的損失和經濟損失。傳統地震方法無法預防地震大地震造成的破壞。

1988 年，Watanabe 等人。他們以灌注混凝土的鋼管為界，預埋支架作為芯管內支架，反復加載芯管內支架屈服（SPY），制動性能相當好。后來又研制成功了一種結構緊湊、難以觸及的金屬支撐潤滑器，又稱扭轉消能管支撐[1]。

1990 年，Sridhara 提出了壓縮拉索的概念，其目的是通過載體在負載下拋出的內芯產生的扭轉應力來增加部件的承載能力。如果主體的彎曲應力低于材料的屈服強度，除了鋼材的屈服強度外，還可以將其轉換為支撐以獲得更高的抗拉強度[2]。

1999 年，clarke 等人。對三組大型扭力桿進行了測試。兩個部分的形狀選擇為矩形，第三個部分的形狀選擇為橫截面。位移記錄用于評估抗震性能，并進行了短期重復負載測試。試驗發現板間位移為3%，相應的支撐位移為2%左右。測試結果表明，支架的滯后系數非常穩定[3]。

我國第一個橫向防屈曲支撐研究來自臺灣。2001 年，陳正誠等制作了12 個試件，分為三組依次進行測試。試件主支撐為矩形截面A36 鋼板，支撐方式為鋼筋混凝土、鋼管、鋼筋混凝土組合管。測試結果表明，所有支架的能耗都很高，但在循環運動過程中，采用鋼筋混凝土修復機制的試件存在局部損傷和焊接損傷，而采用復合鋼管修復方式的試件耗能能力最佳[4]。

2009 年，世博中心項目采用了扭力桁架。以世博中心為例，周建龍等人。討論優先考慮承受功率和支撐功率的有效設計方法，并提出設計中需要解決的主要問題和方法，包括確定偏轉功率支撐的電阻和耗散等級、設計與裝配、產品驗收標準等[5]。

2011 年，趙俊賢等人。他們提出了一種新型的抗纏繞全角鋼消能支撐（ABRB），并制作了樣品來測試半靜態滯后性能。研究結果表明，鐵芯的機械返回部分對防止永久扭轉耗散彎曲非常有效[6]。

1 高層鋼結構體系及其他特點

1.1 高層鋼結構體系

1.1.1 純鋼框架結構體系

鋼架體系是最簡單、應用最廣泛的鋼架體系。主要靠鋼梁、柱的彎曲來抵抗水平力。如果建筑物的高度太高或水平受力（地震、風荷載）大，容易造成較大的橫向位移。結構按結構水平方向和垂直方向組織，框架是雙向內力和側向力的組合標準，節點配置通常包括強節點、弱節點和轉換。純框架體系的優點是強度高、結構輕、重量輕、柔韌性好、內部空間大、結構靈活。主要缺點是側向剛度低，易受強震破壞，不易修復。

1.1.2 鋼框架—剪力墻結構體系

隨著結構高度的增加，它與結構的表面相遇，在純框架結構中加入防止側向位移構件（如剪力墻）以抵抗水平力，故稱為剛性結構墻。在我國應用廣泛，多層鋼架建筑主要采用這種結構體系。結構系統中剪力墻的位置通常在樓梯間或隔墻中。這種布置的優點是整個結構具有柔性框架體系的特點，可以有效提高結構的剛度。目前廣泛應用的有板式剪力墻、預制板剪力墻和混凝土剪力墻。

1.1.3 鋼框架一支撐結構體系

在我國現代高層建筑體系中，鋼結構支撐體系在實際施工中應用最為廣泛，效率最高。一個新的堅固的兩層結構系統為干凈的框架系統增加了垂直支撐。額外的垂直支撐提供橫向剛度和下垂控制，并有助于提高水平承載能力。支架的數量以及承載能力和支架放置的差異會顯著影響支架性能。有兩種主要類型的支撐：中心支撐或偏心支撐。對于高層建筑的內部和外部應用，通常配有可調節的支撐。

1.1.4 筒體結構體系

圓柱形建筑系統廣泛應用于高層鋼結構建筑和特殊結構。結構元素的組合，以創建可承受各個方向的水平載荷的圓柱形結構。例如，在鋼筋混凝土墻體系統中，鋼筋混凝土墻體設計成封閉柱的形式，以承受水平荷載和扭轉，稱為中心框架和管狀結構。

1.1.5 束筒結構體系

該結構由內壁分隔的多組圓柱體組成，形成管梁結構體系，增加了結構的豎向收縮，一定程度上減小了剪力滯效應。

1.2 超高層鋼結構框架+防屈曲支撐體系

過去，混凝土結構和混凝土磚因其經濟性、耐久性和材料適用性，它用于許多建筑物。然而，隨著整體經濟的快速發展和城市數量的增加，對高品質建筑的需求也在不斷增加，建筑物的承重能力越來越大，因此人們對建筑物的要求也越來越高和更高。盡管懸臂、高層建筑等建筑不斷涌現出無限可能，但傳統的結構和構筑物由于強度高、耐久性和互換性高，難以滿足上述要求。同時，由于鋼結構建筑具有強度高、重量輕、結構設計好、性能穩定、操作靈活等優點，在這個時代的建筑（尤其是塔樓）中多采用鋼結構建筑。

傳統的金屬框架結構具有固有重量。隨著建筑物高度的增加，結構的總質量增加。由于抗震強度直接關系到建筑物的質量，使用鋼材增加立柱數量會減少材料的使用，減少空間的使用，影響房屋的舒適度。節省空間和施工成本，使用方便。另外，隨著高度的增加，水平力也隨之增加，由于純鋼材工藝變化大，偏差大，影響所用材料的安全性。

建筑物的抗震設計應通過以下方式增加其構件的強度和耐久性并增加由于塑性變形而傳遞給建筑物的地震能量的耗散來承受地震力。鋼支撐增加結構的橫向剛度，而支撐引起塑性變形。減震性能差、結構傳力差、承重加固通道差，結構破壞嚴重，難以修復，喪失原有功能。鋼架+彎曲鋼筋（BRB）不僅增加了結構的剛度和強度，而且增強了吸收地震能量的能力，使結構體系更加安全。廣泛應用于鋼結構+折彎（BRB）高層建筑。

2 防屈曲支撐的基本原理

2.1 基本組成及作用

防屈曲支撐由三部分組成。內鋼芯、外塞和它們之間的非粘合層或空隙。鋼鉚釘具有良好的抗彎強度和彎曲性，因此在加載時不會向側面凸起。在彎曲軸承的情況下，只有底板連接到其他部件，所有載荷都通過底板傳遞。抗旋轉核心材料提供出色的延遲，防止外殼和墊片在負載下彎曲主板，使其在壓力下變形、拉伸和壓縮。

一方面，防腐基材避免了傳統支架壓差大、承載能力差等缺點。同時，金屬屏障的能量耗散能力起到了“保險絲”的作用，使核心結構保持在最有彈性的狀態。除了提高軸向載荷下的承載能力外，它還可以提供拉伸和壓縮延展性以消散地震能量。該保護器通過預先保護芯部結構免受顆粒損傷，達到防止變形和損傷控制的目的。因此，使用扭力防屈曲支撐可以提高現有杠桿在中等地震時的抗震性能。

2.2 技術要點與工作耗能原理

彎曲支架基本上具有兩個技術特征。一種是能夠限制彎曲變形的彎曲系統，另一種是防止或減少軸向力傳遞的機構。下面結合這兩個技術點來解釋一下防纏繞功耗的基本原理。一個普通的軸承在向其兩端施加力時可以軸向移動，但軸向變形主要是由于軸承的軸向彎曲，而沿軸承中心軸線的壓縮并沒有改變行為，且沒有表現出很強的靈活性。從軸向力和受壓元件的阻力矩方面考慮，可以看出彎矩較小，對應的軸向支撐力越小。

與傳統支架一樣，扭轉支架在彈性變形范圍內為支撐結構提供側向剛度。然而，在過渡到彈性后，抗摩擦軸承在流動階段后開始塑性變形，而沒有正常軸承因多次地震燒毀而出現的壓縮失穩。此外，抗扭抗拉強度和抗壓強度接近，因此在反復加載時滯后曲線平滑完整，抗沖擊性能優于普通軸承。

2.3 防屈曲支撐界面形式、類型及布置原則

2.3.1 防屈曲支撐界面形式

由于結構的不同條件，它們需要不同的能量和功率消耗，常用的螺旋鋼板有直板、橫板、工字形、空心矩形等形狀。外部約束通常用砂漿或混凝土和鋼管填充，以提供所需的抗彎強度。

2.3.2 防屈曲支撐類型

扭力桿按作用分為消能扭力桿、承載扭力桿和彎曲桿三種。其中，散熱防偽墊不僅能防止元器件彎曲，還能保證主板變形后的散熱能力。耗能抗彎支撐適用于由薄層阻力支撐的耗能結構構件，除增加結構剛度和承載能力外。使用緊固件時，它們只能用于增加結構的剛度和承載能力。襯弧的屈曲力由目標設計要求確定，防彎曲支架可防止在緊固前彎曲。

2.3.3 防屈曲支撐布置原則

設計彎頭時，重要的是要考慮結構的扭轉效應，質心和剛度中心應盡可能耦合。還需要保證結構剛度的均勻分布，避免因應力集中引起的突然變化。傳統的桁架結構大致分為實心、V 型、人字型、K 型、X 型五種，桁架通常采用V 型、單切或人字型結構，以防止節點錯位。為了保持建筑物的功能和保證結構的整體強度，必須將抗彎原理設置在能保證最大能量耗散的位置。規劃原則是：

（1）地震產生較大內支撐力的部位；

（2）地震時樓層間位移較大的樓層；

（3）必須沿結構的兩條主軸線分別布置；

（4）提供單對角支架、人字形或V 形支架和偏心支架。

3 工程概況

本項目是在昆明市龍泉街道規劃建設的一座摩天大樓。項目地下一層，地上55 層，頂層層高6.8m。主體建筑高206.4m，中心柱以上高度180m。建筑X 軸寬36.2m，Y 軸寬44.8m，標準建筑面積1621.76m2，使用壽命50 年。

建筑物抗震強度為8 度，計算熱量為0.2g，目標有3 種坡度，特征時間Tg=0.65s，鋼架和堅固墻體抗震1 級。第三組為設計抗震組。結構阻尼系數0.025，基礎風壓0.35 kN/m2，荷載按《建筑荷載計算規范》（GB50009-2012）計算，重現期為100 年。由于不考慮雪荷載和屋拱荷載，基礎的雪壓為0.35 kN/m2，雪荷載小于屋拱荷載，因此荷載不高。

4 超高層鋼框架+防屈曲支撐結構的減震性能分析

4.1 結構設計部分

4.1.1 結構的性能目標

建筑由中央鋼架支撐，高度超過200m，是一種特殊類型的摩天大樓。由于是高強度地區，在分析和設計建筑物時必須考慮抗震性能。本工作的思路是在抗震柔度分析的基礎上進行高靈敏度抗震分析驗證計算，綜合評價建筑物的抗震性能。

4.1.2 支撐的布置形式

考慮到結構的扭轉效應，立柱應盡可能靠近重量和強度放置，結構強度應均勻分布在界面上，使應力集中的突然變化不影響結構建筑物的功能和結構完整性，只要滿足整體強度，應選擇對能耗影響最大的支撐位置。規劃原則如下：

（1）產生較大支撐力的部分；

（2）應沿結構的兩條主軸線分開放置；

（3）可用于單傾斜支架、人字形或 V 形支架和角支架。

4.2 多遇地震作用下的彈性時程分析

《高層建筑鋼筋混凝土結構技術標準》規定，對于經常發生7～9 級地震的高層建筑，下列情況需采用彈性計算法進行附加評估。

（1）高層建筑；

（2）乙、丙類高層建筑；

（3）不符合本規程要求的高層建筑；

（4）本條例第十章規定的高層綜合設施；

（5）豎向質量分布不均勻的高層建筑。

在動力地震分析中，往往需要仔細選擇地震波并記錄地震波影響結構的時間序列。

4.2.1 地震波的選取

根據我國規定，結構歷史分析必須滿足以下要求：

（1）根據施工場地等級和預估地震組，至少選取2 條地震記錄和1 條模擬動力曲線，且強震記錄數量大于2/3。平均地震系數應與譜響應法確定的地震系數一致。對于底部振動減少65%的模型響應譜，根據多小時歷史計算的平均底部位移應至少為從歸一化減少響應譜獲得的底部振動的80%。

（2）地震波的選取應考慮地震運動的三個分量，即有效峰值、光譜特性和時間根據地球的實際情況而變化。地震力包括高位移、高速度和高加速度，它們代表地震動記錄中最強的部分。我們通常選擇地震時的最大加速度作為地震規劃的抗震準則。

4.2.2 無支撐結構與普通支撐結構的彈性時程分析

根據我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），選取地震波計入計算時，必須滿足“穩定比”的要求。也就是說，它必須滿足多小時的要求。模態分解和平均曲線及譜響應小波地震活動系數的方法。與運動學曲線相比，結構主要模態（前3 階）對應的周期點小于20%，結構主要向下方向的平均側向力大于20%。65%以上正態分解法和地震波烈度計算結果的反應譜。

5 結論

本文闡述了防屈曲支撐在國內外研究現狀、其工作原理、力學模型和承載力的計算及其相關參數（如等效剛度、等效截面面積、等效阻尼比等），介紹了防屈曲支撐的優缺點等。在之前的理論基礎上，本文以一個擬建的56 層的鋼框架結構為研究背景，首先分別建立了無支撐結構、兩種不同布置形式的普通支撐結構以及防屈曲支撐結構四種結構模型，對四種結構進行模態分析對比；接著對無支撐結構與普通支撐（第2 種支撐布置形式）結構以及防屈曲支撐結構進行反應譜分析及彈性時程分析；最后選擇普通支撐結構（第2 種布置形式）和防屈曲支撐結構進行罕遇地震作用下的抗震分析。