BRB用于裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)減震研究

胡 倩 孫 超

（1.武漢華夏理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430223；2.中冶華亞建設(shè)集團有限公司，湖北 武漢 430081）

0 引言

裝配式斜支撐鋼結(jié)構(gòu)具有較高的承載力，良好的抗風(fēng)、抗震性能，機械化程度高，更優(yōu)異的保溫、吸振、隔音性能等特點[1-2]，裝配式斜支撐鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣和應(yīng)用符合我國轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)住宅生產(chǎn)方式，大力推廣“適用、經(jīng)濟、綠色、美觀”裝配化住宅的方針策略。裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)是一種新型鋼結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)體系突破了鋼結(jié)構(gòu)體系只適用于多層建筑的限制，實現(xiàn)了向高層建筑的發(fā)展。

BRB[3]是由核心部分（芯材）、約束部分（鋼板、鋼管、混凝土）、滑動部分（無粘結(jié)材料）組成：核心部分承受各種壓力和拉力，約束部分確保核心部分達到完全屈曲前不提前進入屈服狀態(tài)，滑動單元主要是防止核心部分所受到的力傳遞到約束部分。屈曲支撐在彈性階段為主體提供抗側(cè)剛度，在地震作用下具有飽滿的滯回性能、耗能能力以及無受壓失穩(wěn)的問題，多用于多高層建筑的消能減震。本文通過建立裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架有限元分析模型，對比分析設(shè)置普通支撐結(jié)構(gòu)和BRB 結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)。

1 工程實例

該工程為 21 層結(jié)構(gòu)建筑，對結(jié)構(gòu)建模分析時，為減少計算結(jié)果受結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響，使結(jié)構(gòu)布置更加合理化，簡化了結(jié)構(gòu)的實際平面圖。結(jié)構(gòu)橫縱都為6 跨，長為23.4m，層高為3.3m，結(jié)構(gòu)從下往上均分為3 段，每段7層，各樓結(jié)構(gòu)基本一致。

2 計算分析

為了分析BRB 對的減震效果，模型1 設(shè)置普通支撐；模型2 全樓層（1～21層）布置112 根斜撐1 和112 根柱撐1，布置112 根斜撐2 和112 根柱撐2，布置112 根斜撐3 和112 根柱撐3。

屈曲約束支撐布置在結(jié)構(gòu)的四個邊跨處，屈曲約束支撐芯材材質(zhì)為 HRB345，屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值fy=345MPa，在布置屈曲支撐根據(jù)核心部分材料估計支撐的截面面積，并通過截面面積和核心部分的屈服強度計算BRB 的屈服承載力。

式中Nysc 為BRB 的屈服承載力，A1為約束屈服段的鋼材截面面積，A e 為等效截面面積，fy 核心部分鋼材的屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值。其他詳細設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 屈曲約束支撐設(shè)計參數(shù)

斜撐1225×225×25×25 20.0 17 6451.5 1980 2863.92柱撐1185×185×15×15 10.2 8.67 3290.3 1980 1460.61斜撐1200×200×20×20 14.4 12.24 4645.1 1980 2062.02柱撐1160×160×10×10 6.0 5.1 1935.5 1980 859.19斜撐1185×185×15×15 10.2 8.67 3290.3 1980 1460.61柱撐1155×155×10×10 5.8 4.93 1870.9 1980 830.54

2.1 模態(tài)分析

對無屈曲支撐的模型一有限元模型進行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的基本自振周期 3.01s，符合 GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定:T1= (0.10 ～ 0.15)n=（0.21～0.315）； (T1為建筑結(jié)構(gòu)的基本自振周期，n 為建筑總層數(shù))。

對模型2 進行的模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的基本自振周期 2.88s 小于無屈曲支撐的自振周期 3.01s，雖然兩種支撐具有相同材料，芯材截面截面尺寸相差不多，但由于BRB 的作用，增強了結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)的自振性能具有一定的提高。

2.2 BRB 的減震性能研究

本文將地震作用下的層間位移作為評價指標(biāo)研究BRB 對裝配式斜支撐鋼框架的減震效果。對模型1、模型2 分別輸入EL－centro 波進行非線性時程分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1 EL－centro 波作用下層間位移

模型1 在EL－centro 地震波下結(jié)構(gòu)變形趨勢大致相同，通過圖1可以看出在8 層和15 層層間位移變化較大，主要是因為在8 層以及15 層構(gòu)件的截面尺寸發(fā)生變化，相對其下層尺寸有一定的減小，故相對于其他層在8 層和15 層結(jié)構(gòu)剛度相對減小，結(jié)構(gòu)較為薄弱。

在地震作用下，模型1的層間位移最大值為30.1mm，層間位移角為1/140，不滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求；模型2 層間位移最大值為10.8mm，層間位移角為1/389，滿足規(guī)范要求。

圖1對比分析，設(shè)置BRB 可以大幅度減小結(jié)構(gòu)頂層間位移，層間位移的最大值減小幅度達到64%證明了BRB 擁有良好的耗能作用。

圖2 模型1 EL－centro 波作用下能量圖

圖3 模型2 EL－centro 波作用下能量圖

通過對比分析模型1 和模型2 在 EL－centro 波作用下的能量分布圖，模型1 的地震輸入能量主要是結(jié)構(gòu)自身阻尼消耗；模型2 的地震能量由BRB 和結(jié)構(gòu)本身共同承擔(dān)；BRB 消耗地震輸入總能量的35%左右。說明通過設(shè)置BRB 有效地增加了結(jié)構(gòu)的阻尼和耗能能力，保護了主體結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

3.1 裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架在設(shè)置BRB 后對結(jié)構(gòu)的自振周期影響不大，對結(jié)構(gòu)的剛度提升不明顯。

3.2 通過非線性時程分析，BRB 表現(xiàn)出了具有良好的耗能能力，提高結(jié)構(gòu)的延性消耗地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

3.3 設(shè)置BRB 可以有效降低結(jié)構(gòu)的層間位移，提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力。