防屈曲耗能支撑框架结构静力弹塑性分析

摘要：防屈曲耗能支撑（Bucking Restrained Brace,简称BRB）作为一种当今颇具应用前景的耗能减震构件，可以在地震来临时展现出良好的耗能能力和延性。本文简要介绍了BRB的基本原理，采用有限元软件对天津某一栋防屈曲耗能支撑框架结构进行静力弹塑性分析（即Pushover分析），分析结果表明：该耗能减震结构不仅能满足规范要求，而且能显著提高结构在地震作用下的抗震性能。

关键词：防屈曲耗能支撑；静力弹塑性分析；性能点；塑性铰

中图分类号：TU323.5 文献标识码： A

引言

防屈曲耗能支撑（BRB）已经被广泛应用于结构耗能减震中[1][2]。BRB主要由核心受力芯材、约束系统（钢管、砂浆、混凝土等）和无粘结材料组成。其工作原理为：支撑构件在地震作用下所承受的轴向力作用全部由核心受力芯材承受，芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，而钢管和套管内灌筑的混凝土或砂浆给芯材提供约束，避免芯材受压时发生屈曲破坏。

静力弹塑性分析

根据《建筑抗震设计规范》[3]5.5.2条，对结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算，利用Midas/Gen对结构进行pushover分析。Pushover分析的优点在于:既能对结构在多遇地震下的弹性设计进行校核,也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制, 找到最先破坏的薄弱环节, 从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能[4]。

2.1 工程概况

本文采用的模型为L型11层钢筋混凝土框架结构，1~2层层高为4.2m，3~9层层高为3m，10~11层层高为4m。1~6层梁、板、柱混凝土强度等级为C40，7~11层为C35，楼板采用120mm厚现浇混凝土板，所有梁、柱、板纵向受力钢筋为HRB400，箍筋为HRB335。

设防烈度为7度（0.15g），地震分组为第二组，场地类别IV类，框架抗震等级二级。本文采用Midas/Gen软件进行pushover分析，采用位移控制方法控制施加在结构上的荷载，控制节点指定为柱端点(顶层)。分析前需判定Midas/Gen中建立模型的正确性，主要通过反应谱计算，比较两个软件（Midas、PKPM）中模型参数的差异。下表1～2列出了两个软件中结构各整体指标的详细结果，从表1～2可见两模型中结构的各参数是基本一致的，可判定Midas/Gen中模型是正确的，计算结果可信。

2.2单元类型

本文Pushover分析中使用的单元类型有三维梁－柱单元和一般连接单元（弹簧）分别模拟结构梁柱和BRB。

2.3塑性铰特性值

如何模拟构件的屈服和屈服后行为是建立结构模型的关键内容。Midas/Gen中提供了两类塑性铰特性，分别是多折线类型(Multi-Linear Type)和FEMA类型(FEMA Type)。多折线铰类型的荷载－位移关系采用双折线(Bilinear)和三折线(Trilinear)两中形式，如图1所示。FEMA铰类型是将钢筋混凝土构件和钢构件的循环加载试验(reversed cyclic load)获得的资料理想化的结果，如图2所示。本文Pushover分析中选定的梁、柱铰类型为FEMA铰，BRB的铰类型为双线性铰。

图 1 多折线铰类型的塑性铰特性

考虑到钢筋混凝土构件一般有充分的抗剪能力，梁铰定义为My和Mz方向的弯曲铰，柱定义为PMM铰，BRB采用轴向受力铰。

表1 两模型前三振型周期及平转动情况

振型 SATWE MIDAS GEN

周期(s) 平动系数(X+Y) 扭转系数 周期(s) X向平动系数 Y向平动系数 扭转系数

1 1.2688 0.96(0.96+0.00) 0.04 1.2583 0.98 0.00 0.02

2 1.1749 0.96(0.00+0.96) 0.04 1.1705 0.00 0.99 0.02

3 1.1346 0.10(0.04+0.06) 0.90 1.1160 0.02 0.01 0.97

表2 两模型质量、基底剪力及极限位移角情况

SATWE MIDAS GEN

方向 基底剪力(kN) 层间位移角 所在楼层 结构自重(t) 基底剪力(kN) 层间位移角 所在楼层 结构自重(t)

X向 16310.23 1/623 4层 26546.04 15703.67 1/643 4层 26120.14

Y向 17823.98 1/714 2层 17067.65 1/727 2层

图2FEMA铰类型的塑性铰特性

2.4分析结果

对结构模型进行Pushover分析，可以得到底部剪力与控制位移的关系曲线（图3），并将荷载-位移曲线转换为等效的单自由度体系的Sa-Sd(ADRS)格式能力谱曲线以及5%、10%、15%、20%阻尼的ADRS 格式罕遇地震反应谱曲线叠加于同一坐标系中，通过迭代求得性能点。当采用第一模态加载方式时，其性能点为Sa=0.251，Sd=172.9。当采用第二模态加载方式时，其性能点为Sa=0.242，Sd=183.6。结构性能点的存在说明结构具有良好的抗震性能。

模态一

模态二

图3 能力谱比需求谱

结构在性能点处的层间位移角曲线见图4。由图可以看出结构在性能点处的最大层间位移角为1/91（X向），1/108（Y向）远小于本工程抗震设计目标1/80[3],表明该结构能够经受罕遇地震的考验。

X向

Y向

图4 罕遇地震下性能点处层间位移角

图5为BRB的力-位移曲线，由曲线可知，BRB进入第二阶段，即发生耗能。

图5 BRB力-位移曲线

X向

Y向

图6 罕遇地震性能点处结构塑性铰情况

图6 a)为X向推覆时罕遇地震性能点框架塑性铰分布图；图6 b)为Y向推覆时罕遇地震性能点框架塑性铰分布图。从图中可见塑性铰竖向分布较为均匀，未出现塑性铰分布集中在个别楼层的现象；塑性铰程度均为LS（生命安全）以下。

3、结论

本文针对防屈曲耗能支撑框架结构进行静力弹塑性分析，得到如下结论：

1）在钢筋混凝土框架结构中设置防屈曲耗能支撑后，防屈曲耗能支撑在罕遇地震作用下进入第二阶段，即发生耗能，可以大幅度提高结构整体的抗震能力。

2）罕遇地震作用下，结构在性能点处的最大层间位移角小于容许值，满足抗震要求。

3）罕遇地震作用下，塑性铰竖向分布较为均匀，未出现塑性铰分布集中在个别楼层的现象；塑性铰程度均为LS（生命安全）以内，结构未出现薄弱层。

参考文献：

[1]周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]宁响亮,刘军等.新型防屈曲耗能支撑的设计、试验及其减震性能研究[J].地震工程与工程振动，2012，32(1)：49-53.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[4] 北京金土木软件技术有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M ]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.