防屈曲支撑框架减震性能分析

【摘要】为了论证防屈曲支撑框架结构体系（BRBF）具有更好的减震效果，对相同初始刚度下不屈服、不屈曲的普通中心支撑框架结构体系（OCBF）进行时程分析，并根据两者的计算结果，对比两种支撑框架形式的抗震性能差异。

【关键字】减震；防屈曲支撑；抗震性能

1 支撑框架体系减震机理

无支撑框架结构体系与防屈曲支撑框架结构体系进行对比，后者具有更好的抗震性能。这个结论有两个方面的原因：（1）在无支撑框架上设置支撑，将显著加强结构体系的抗侧刚度，其整体的侧向变形模式将由剪切型转变成弯剪型，地震位移响应的减小是必然的[1]；（2）防屈曲约束支撑可以利用材料的屈服滞回耗散地震能量[2]，从而达到降低地震响应的目的。

与无支撑框架结构体系相比，普通中心支撑和防屈曲支撑都可以为结构增加一定的初始抗侧刚度，使得框架支撑体系整体的线弹性刚度有了一定的提高。在结构遭遇小震的情况下，其地震响应较易满足抗震设计规范的变形要求。当结构遭遇大震，普通中心支撑不发生屈服，不进入塑性状态耗能，保持弹性刚度不变，从而加剧震害；而防屈曲支撑由于其核心耗能工作段在受压时受到外围约束机构的有效抗侧约束，支撑在屈服前不会发生屈曲，支撑可以进入塑性状态耗散输入结构的地震能量。

2 有限元分析模型

在多遇地震作用下，由于结构和支撑均处于弹性状态，支撑对主体结构仅起到提供侧向刚度的作用，普通中心支撑框架结构与防屈曲约束支撑框架结构的地震响应完全相同；在罕遇地震作用下，防屈曲支撑作为结构抗震的第一道防线，将率先进入塑性阶段进行地震能量的耗散，其结构响应将表现出较为明显的非线性特性[3]。因此，在下文的分析过程中，仅分析和对比两种支撑框架体系在罕遇地震下的地震响应。

2.1 模型的建立

本文以抗震研究中心振动台试验用钢框架为原型，选取其中的某一榀建立一个3 跨11 层的二维框架模型，跨度3.168m，层高1.584m，梁柱刚接，梁截面大小为100×50×6×8，柱截面为100×100×6×8，单位为mm。

2.2 地震波的选取

本结构抗震设防烈度为8 度（0.2g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。设计采用两条天然地震动，分别是El-Centro 波和Taft 波，峰值已根据抗震规范及分析要求调整到8 度（0.2g）罕遇地震加速度时程曲线最大值，即400gal。为简化分析过程，仅取每条地震波的前30s，在0~30s 范围内已包括波的峰值点。计算时采用Rayleigh 阻尼，并假定各个振型的阻尼比相同，罕遇地震时考虑支撑的作用，钢结构阻尼比取0.05[1]。

3 罕遇地震下两种支撑体系的时程分析

3.1 位移时程对比

3.1.1 顶层位移时程

图1 表示普通中心支撑结构体系（OCBF）和防屈曲支撑结构体系（BRBF）在罕遇地震下的顶层位移时程曲线比较。以El-Centro 波为例。

图1　顶层位移时程曲线对比

根据上述时程分析计算结果，在El-centro 波作用下，防屈曲支撑框架结构体系的位移时程反应比普通中心支撑框架结构体系的位移时程反应要小。这是因为在罕遇地震下，防屈曲支撑作为结构体系的第一道抗震防线，率先进入屈服后耗能，进入塑性阶段后，结构的整体刚度减少，使得地震输入减小，从而有效地降低了主体结构的地震位移响应；而普通中心支撑始终处于弹性阶段，无法耗散地震能量，同时支撑的刚度保持不变，与防屈曲支撑结构体系相比地震输入较大，因此，普通中心支撑框架结构体系的位移响应要大于防屈曲支撑框架结构体系的位移响应。

3.1.2 层间位移角

图2 所示为两种罕遇地震地震波0~30s 范围内1~11 层普通中心支撑框架结构体系和防屈曲支撑框架结构体系的层间位移角的包络值对比。以El-Centro 波为例。

图2　层间位移角对比

如图2 所示，在El-centro 波罕遇地震作用下，防屈曲支撑框架结构体系每一层的层间位移角均小于普通中心支撑框架结构体系的层间位移角，且均满足抗震规范规定的层间位移角限值。说明防屈曲支撑结构体系中的支撑具有良好的耗能减震性能，有效地减小了罕遇地震作用下结构的位移响应，保护了主体结构的安全性。

3.2 顶层加速度时程对比

图3 表示了两种结构体系在两种不同的地震波作用下，顶层加速度时程曲线的对比。

图3　顶层加速度时程曲线对比

从图中可以看出，在地震波作用下，防屈曲支撑框架结构体系的顶层加速度要小于普通中心支撑框架结构体系的顶层加速度。

这主要是因为在罕遇地震作用下，防屈曲支撑进入塑性阶段耗能，其塑性刚度减小，使得整个防屈曲支撑框架结构体系体系的刚度比普通中心支撑框架结构体系的小，整体结构变柔，所以加速度反应减小。

3.3 基底剪力时程对比

图4 表示了普通中心支撑框架结构体系和防屈曲支撑框架结构体系在罕遇地震作用下，基底剪力时程曲线的对比。

图4　总基底剪力时程曲线对比

根据图4 两种结构体系基底剪力的比较可知，在罕遇地震作用下，防屈曲支撑框架结构体系的基底剪力小于普通中心支撑框架结构体系的基底剪力。由于防屈曲支撑在罕遇地震下屈服耗能，刚度减小，使得整个结构体系变柔，降低了防屈曲支撑框架结构体系在罕遇地震作用下的基底剪力。

参考文献：

[1] 谌东御，吴京，江建英. 屈曲约束支撑与普通支撑框架结构抗震性能的对比分析[J]. 第四届结构工程新进展国际论坛，2010：346-352.

[2] Kumar G R，Kumar S R，Kalyanaraman V.Behavior offrames with Non-Buckling bracings under earthquake loading.Journal ofConstructional Steel Research，2007，63：254-262.

[3] 贾佰科. 屈曲约束支撑高层钢结构的抗震性能及设计方法研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2008 年5 月.