带防屈曲支撑的钢框架减震分析

带防屈曲支撑的钢框架减震分析SEISMICANALYSISOFSTEELFRAMEWITHBUCKLING-RESTRAINED-BRACE

任振国

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）

（China砸ailwayEngineeringDesignandConsultingGroupCo.,Ltd.,Beijing100055,China）

RENZhenguo

【摘要】防屈曲支撑既能提供侧向刚度，又可以增加结构的耗能，作为一种优良的耗能构件被广泛应用于建筑结构振动控制。

文中采用有限元软件OpenSEES分析了防屈曲支撑在钢框架结构中的减震效果。研究表明，增设防屈曲支撑可有效减小结构位移，提高结构的抗震能力，但应注意与防屈曲支撑相邻构件的设计。【关键词】被动控制；防屈曲支撑；动力弹塑性分析【中图分类号】TU973

【文献标志码】A

【文章编号】1001-68（2019）09-0072-02

Abstract:Thebuckling-restrained-brace(BRB),whichisanexcellentenergydissipationcomponent,cannotonlyprovidelateralstiffness,butalsoincreasetheenergyconsumptionofthestructure.TheBRBiswidelyusedinthevibrationcontrolofstructures.BasedontheanalyticalplatformOpenSEES,thedampingeffectofBRBinsteelframestructureisanalyzed.Theresultsrevealthat,theBRBcaneffectivelyreducethestructuraldisplacementsandimprovetheseismiccapacityofthestructure.However,thestructuralmembersthatconnectedwithBRBshouldbedesignedcarefully.

Keywords:passivecontrol；bucklingrestrainedbrace;dynamicelasto-plasticanalysis

0引言我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，这导致我国地震灾害频发，如2008年的汶川地震、2010年的玉树地震等。地震灾害的破坏性以及其引发的火灾、水灾等次生灾害严重威胁着人类的生存。近年来，抗震措施不断进步，结构振动控制技术逐渐被应用于结构抗震当中[1,2]。其中，采用非结构构件来耗散地震能量的被动控制方式应用较为普遍，是消能减震的重要组成，它能够有效地减轻结构的地震反应。通常来讲，结构震动被动控制装置在抗震设防中形成了第一道防线，在地震作用下首先进入屈服阶段耗能，而吸收并耗散地震能量，保护主体结构免受损伤或出现轻微可修复的损伤。在被动控制装置中，防屈曲支撑以其优良的性能而被广泛应用与结构抗震之中，它不仅可以作为非结构构件来屈服耗能，还可以作为结构构件来提供抗侧刚度。文中以开源有限元软件opensees为分析平台，以高层钢框架结构为研究对象，分析防屈曲支撑在钢框架结构中的减震效果。1防屈曲支撑简介防屈曲支撑又称为屈曲约束支撑（bucklingrestrainedbrace,BRB），最早起源于日本学者Yoshino图1

防屈曲支撑的基本构成

等在1971年提出的一种墙板式无黏结支撑，这被认为是对于防屈曲支撑最早的研究[3]。随后，Kimura等第一次将支撑外部约束的混凝土墙换成了内部填满砂浆的钢管，并发现其具有良好的耗能能力。1988年，东京工业大学和田章等与新日铁公司合作研发出了国际上具有代表性意义的防屈曲支撑[4]。典型防屈曲支撑的基本构成如图1所示。防屈曲支撑主要是由耗能钢内芯、外部约束构件和加强的节点三部分构成。其中，支撑内芯由低屈服点的钢材构成，用以承担轴向力，并且在外荷载作用下首先达到屈服以消耗地震作用的能量；外部的约束构件抑制支撑内芯发生失稳，从而使其进入全截面屈72

服，以保证地震能量的持续消耗；加强的节点保证防屈曲支撑截面屈服不发生在连接部位。防屈曲支撑受压不失稳，拉压都能达到屈服，在地震作用中稳定滞回耗能特性良好表现，使其被广泛地作为延性抗震耗能构件而应用于地震频发的地区。2结构计算模型结构为一榀三跨九层钢结构，每层层高为3m，跨度为6m。梁和柱均采用H型钢，其中梁为HM450×300×11×18，柱为HM400×300×10×16。防屈曲支撑内芯为一字形，有效面积为0.005m2，在结构中呈之字形安装。楼板重度为23.kN/m3，板厚0.015m，板跨6m。不考虑楼板在其平面内的刚度。结构计算模型在开源有限元软件OpenSEES[5]中建立。它的主要研发单位是加州大学伯克利分校，具有开源性和可扩展性，拥有丰富的材料库和单元库，被广泛应用于结构和岩土等方面的分析。在本计算模型中，假定基础与地基刚接，防屈曲支撑与主体结构铰接。梁、柱均采用OpenSEES中基于力的纤维截面梁柱（nonlinearBeamColumn）单元，并忽略各个构件的剪切变形和扭转。防屈曲支撑采用桁架单元模拟。梁、柱与支撑的材料模型均为Steel02，其中梁、柱的屈服强度为345MPa，防屈曲支撑构件的屈服强度为275MPa。结构计算模型如图2所示。图2

结构计算模型

3动力弹塑性分析在进行动力弹塑性分析时，数值积分方法采用Newmark-茁法，其中琢=0.25，茁=0.5，时间积分步长为0.01s。地震作用选用ElCentro（NS,1940）地震波，并仅完成前20s的模拟，地震动调幅为4.0m/s2[6]，如图3所示。作为对比，文中同时也完成了不含防屈曲支撑框架的动力弹塑性分析。图3

地震波

73

防屈曲支撑钢框架结构和纯钢框架结构在地震作用下的位移时程如图4所示，这里仅给出了首层和顶层位移的对比图。从图中可以看出，安装防屈曲支撑的结构位移响应远小于纯框架的位移响应，表明防屈曲支撑可有效控制结构位移，减小结构在地震作用下的响应。图4结构位移响应时程对比图

图5给出了有无防屈曲支撑的钢框架结构左侧中柱和左侧边柱的轴力时程图。从图中可以看出，安装防屈曲支撑后，与支撑相连的柱的轴力发生了明显的放大，即防屈曲支撑给框架柱带来了附加轴力；而从边柱轴力时程可以看出，支撑的存在削弱了边柱的轴力。图5

首层柱轴力时程

图6首层支撑滞回关系

结构首层防屈曲支撑的力-位移关系见图6。从图中可以看出，在地震作用下防屈曲支撑的滞回曲线饱满，受压未出现屈曲现象，具有良好的耗能能力。（下转第109页）表7

规范法计算结果

方法

规范公式及计算结果

结论

Scd,max≤0.40+0.46Scd,min

GL

Scd,max=酌sd·滓c,max·浊c/fcd,fad需要进一步进

规范法Scd,min=酌sd·滓c,min·浊c/fcd,fad

行规范验证

Scd,max=0.96逸0.40+0.46S滓cd,min=0.68c,max≤0.5+0.45滓具有足够的

欧洲

fcd,fat

fc,min≤0.9,fcd,fatck

≤50MPa

抵抗压力作用规范法

fcd,fad=0.85茁滓cc(t)·fck·（1-fck/250）/酌c

下疲劳破坏的

fc,max=0.68≤0.5+滓c,min=0.69≤0.9能力cd,fatfcd,fatDNV

lgN=C（11-滓max/frd）（/1-滓min/frd）结构具有抵规范

lgN=C（11-滓max/frd

）（/1-滓min/frd）抗疲劳破坏的

=6.67圯N=106.67

＞2.0×106

能力

其中，酌sd为进行应力计算时，考虑模型不精确性的安全系数；浊c为混凝土压应力不一致性分布参数，为简化起见，取为1.0；滓c,max为混凝土的最大压应力；滓c,min为滓c,max出现处的混凝土最小压应力，对于拉应力取0；茁cc(t)为混凝土强度增长系数，此处取为1.0；fcd,fat为混凝土受压时的疲劳强度设计值；fck为混凝土标准强度，N/mm2，此处取为29.6MPa；fcd为混凝土设计强度，此处取为21.1MPa；frd为混凝土的抗压强度特征值；c1为系数，结构在水中时c1取为10；结构处在大气中时，c1取为12。4结语（1）基于CDP模块构建了筒型基础三维有限元模型，通过进行两组疲劳荷载工况下的有限元计算分析，得出筒型基础各个部件的损伤系数均远小于1，说明在两种不利疲劳荷载工况作用下筒型基础均不会发生损伤开裂。（2）结合规范法对筒型基础进行疲劳计算分析，得出筒型基础整体具有足够的抵抗疲劳破坏的能力。因此，这种新型的风机基础型式应值得推广应用。参考文献［1］范庆来，韩彦青，麻世林，等.循环荷载作用下海上风机桶形基

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［收稿日期］2019-06-28［作者简介］（1987-），男，山东临沂人，工程师，从事水利工程设计、数值仿真研究。（上接第73页）4结语文中以OpenSEES为分析平台，分析了防屈曲支撑在钢框架结构的减震效果，并讨论了防屈曲支撑对结构构件的影响，主要结论如下：（1）增设防屈曲支撑后，结构的位移响应得到了有效地控制。（2）与支撑相邻的柱轴力出现了较大的附加轴力，而其他框架柱的轴力则被削弱，这在进行设计时应予以考虑。（3）在地震作用下，防屈曲支撑具有饱满的滞回环，且未出现屈曲，表明防屈曲支撑具有良好的耗能效果。参考文献［1］欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制［M］.北京：科

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