采用BRB伸臂桁架的某超高層鋼結構抗震性能分析*

陳 曦， 閤東東， 蘇宇坤， 解琳琳， 伍煉紅， 李文峰， 苗啟松

(1 北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045； 2 北京建筑大學土木與交通工程學院， 北京 100044)

0 引言

防屈曲支撐(BRB)由核心耗能段和外包約束構件構成，在軸力作用下發(fā)生全截面屈服，在拉伸和壓縮方向受力性能對稱，具有變形能力強、剛度大、滯回性能好、拉壓承載穩(wěn)定性好、減震機理明確和減震效果明顯的特點，可以滿足不同結構的抗震要求[1]。在正常使用狀態(tài)及小震作用下，BRB為建筑結構提供抗側剛度，起到普通支撐的作用；在罕遇地震作用下，BRB可通過其反復拉壓屈服耗散地震輸入的能量。超高層建筑隨著結構高度的增加，由于整體彎曲變形的影響，上部樓層有害位移角所占比重逐層減小，導致上部樓層中的BRB有效變形減少，耗能效果有限。超高層建筑通常采用伸臂桁架協調核心筒和外框架之間的受力，使外框架承擔更多的傾覆力矩[2]。伸臂桁架的剛度大、屈服后對整體結構豎向安全性影響小，在地震作用下是理想的耗能部位，因此將伸臂桁架中的普通鋼支撐斜腹桿置換成BRB可取得良好的減震效果。蔣慶等[2]以高度為230.9m的某超高層建筑為研究對象，通過彈塑性時程分析對采用普通伸臂桁架和BRB伸臂桁架的高層建筑耗能機制進行對比研究，發(fā)現BRB伸臂桁架較普通伸臂桁架具有更好的變形能力和耗能能力。袁林華等[3]和周忠發(fā)等[4]在烏魯木齊寶能城項目中，在結構關鍵部位設置了屈服力達15 000kN的BRB。楊青順等[5]對設置BRB的耗能伸臂桁架進行了試驗研究。武蓮霞等[6]將耗能型BRB和承載型BRB在伸臂桁架中混合使用，使結構剛度分布更加合理，解決結構的扭轉問題。Lin等[7]將BRB用于伸臂桁架中，有效地降低了建筑物的地震反應。

本文所述的某超高層鋼結構項目共設置了863根普通鋼支撐，并在結構底部加強區(qū)和伸臂桁架腹桿處設置了104根BRB，屬于超限高層建筑結構。本文采用動力彈塑性時程分析方法對結構抗震性能進行評估，研究結構在罕遇地震作用下的變形模式和塑性發(fā)展狀況及關鍵構件變形形態(tài)和破壞情況。

1 工程概況

1.1 結構概況

本工程位于烏魯木齊市，建筑功能為公寓，結構高度為280m，結構地上69層，地下3層，標準層層高為3.85m，34層和58層均為避難層，層高分別為5.4m和4.5m。地上建筑面積約16.1萬m2，結構平面為矩形，外輪廓尺寸為44m×52.4m，核心筒尺寸為28.1m×17m，基礎埋深約22.8m?？拐鹪O防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s。按避難層人數計算，建筑抗震設防類別為丙類。根據抗震設防類別和避讓距離，還需對地震作用放大1.1倍。50年一遇基本風壓0.60kN/m2，地面粗糙度類別為C類。地震作用下和風荷載作用下的阻尼比為0.02。

結構高度為280m，超過了規(guī)范高度限值260m，采用了內外筒方鋼管混凝土框架-中心鋼支撐(部分BRB)-伸臂桁架-環(huán)帶桁架的結構體系。結構體系及伸臂和腰桁架布置如圖1所示，在34層和58層共設置了2個加強層，其中34層和58層腰桁架鋼支撐箱形截面分別為□450×450×30×30，□400×400×25×25。鋼支撐主要截面包括□450×450×25×25，□400×400×25×25，□350×350×20×20和□300×300×18×18。

采用ABAQUS軟件建立了結構的三維有限元模型，如圖2所示。表1為計算得到的結構前6階模態(tài)，結構第1, 2階周期分別為7.60s和7.37s，振型分別為Y向和X向一階平動。小震作用下結構X向和Y向最大層間位移角分別為1/325和1/333，X向和Y向最小剪重比均為2.2%。

各構件抗震設計性能目標如下：設防地震作用下，與鋼支撐相連的框架柱要求抗彎不屈服、抗剪彈性，框架梁和BRB允許進入塑性，其余構件均要求抗彎不屈服和抗剪不屈服；罕遇地震下與支撐相連的框架柱要求抗剪不屈服，其余構件允許進入塑性。

1.2 消能減震方案設計

為提高結構底部加強區(qū)的耗能能力，保證關鍵構件的性能，將結構X向、Y向1～6層中心支撐置換為BRB，如圖3所示。加強層與上下樓層存在較大的剛度突變，為減小加強層的剛度、減少剛度突變與內力劇增，加強層伸臂桁架的斜腹桿采用BRB。BRB參數如表2所示，其中BRB1和BRB2核心段強度等級為Q235B，BRB3～BRB6核心段強度等級為Q345B。

圖1 項目結構體系

圖2 結構有限元模型

圖3 BRB布置示意

結構前6階模態(tài) 表1

BRB參數 表2

2 普通鋼支撐拉壓不對稱數值模擬

BRB中外約束套管可防止芯材發(fā)生整體屈曲，芯板在受拉和受壓下均能進入屈服，變形能力強、滯回性能好。與BRB不同的是，普通鋼支撐具有穩(wěn)定的抗拉承載能力，但其受壓時容易發(fā)生屈曲。BRB與普通鋼支撐的滯回性能比較如圖4所示。普通鋼支撐的滯回特性包括穩(wěn)定的受拉特性、受壓時發(fā)生屈曲且屈曲荷載不斷降低、受壓卸載剛度逐漸降低等復雜拉壓不對稱現象，此現象對整體結構行為影響較大，有必要對其進行模擬。

圖4 BRB與普通鋼支撐的滯回性能比較

圖6 不同初始幾何缺陷支撐的滯回曲線對比

2.1 普通鋼支撐拉壓不對稱數值模擬方法

普通鋼支撐滯回曲線的模擬方法主要有以下三種：現象描述法、塑性鉸模型法和有限元法[8]。其中有限元法將支撐劃分成離散的梁單元，賦予各單元各自的幾何及材料特性，并在支撐中部設置初始幾何缺陷來模擬支撐的滯回曲線。有限元法通用性強，模擬精度高，故本文采用有限元法。

2.2 考慮初始缺陷的有限元法數值模型分析

根據本工程實際情況，選取了長度為8m，截面為□650×650×36×36，□400×400×25×25和□100×100×20×20三種模型進行對比分析，鋼材強度等級為Q345B，單元尺寸為1m，兩端采用鉸接約束。不同初始幾何缺陷支撐的軸力及滯回曲線對比分析結果分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同初始幾何缺陷支撐□650×650×36×36的軸力對比

結果顯示初始幾何缺陷對支撐初始軸力有較大影響，但對支撐整體的滯回曲線影響不大，鋼支撐的長細比λ越大，初始幾何缺陷導致支撐所受軸力下降越顯著。因此，初始幾何缺陷的取值僅會影響到支撐的初始軸力，對結構整體性能的影響并不大?？紤]到國內目前鋼結構的工藝水平，《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50205—2020)[9]規(guī)定鋼支撐矯正后的允許偏差不應超過支撐長度的1/1 000。因此，分析中取鋼支撐跨中的初始幾何缺陷為1/1 000支撐長度，施加初始缺陷后每個鋼支撐劃分單元個數不小于8個。

3 地震波選擇

根據規(guī)范要求，選取了3組地震波，包括天然波1、天然波2、人工波，每組地震波分別包含3個波，其反應譜曲線如圖7所示。三組地震波持時、反應譜、產生的基底剪力均滿足規(guī)范[10]要求。地震波輸入時采用三向輸入，水平雙向與豎向加速度比值分別為1∶0.85∶0.65或0.85∶1∶0.65，罕遇地震加速度峰值取0.44g，結構阻尼比取0.02。共考慮了6種工況(L0031XY，L0031YX，L0355XY，L0355YX，L845-8XY，L845-8YX)，其中工況人工波L845-8XY工況中XY代表X主向輸入，其余工況以此類推。

圖7 地震波反應譜曲線

圖8 結構X向和Y向各樓層最大位移

圖9 結構X向和Y向各樓層最大層間位移角

4 罕遇地震下結構響應分析

在進行動力時程分析之前，進行了結構在重力荷載代表值作用下的施工過程模擬和重力加載分析，結構每5層為一個施工單元，包含伸臂后裝施工步，一共16步，施工模擬和重力加載分析中后裝伸臂軸力最大值為31kN。

4.1 結構位移分析

圖8分別給出了各工況罕遇地震作用下結構各樓層X向和Y向最大位移，圖中結構X向和Y向最大位移分別為2.38m和1.93m，分別出現在天然波L0355XY和L0355YX工況下。

結構X向和Y向各樓層最大層間位移角如圖9所示，從圖中可以看出，結構X向最大層間位移角出現在結構49層，出現在天然波L0355XY工況下，最大值為1/64。Y向最大層間位移角出現在結構62層，出現在天然波L0031YX工況下，最大值為1/72。X向和Y向層間位移角均小于鋼結構大震彈塑性層間位移角限值1/50。

4.2 普通鋼支撐地震響應分析

普通鋼支撐是結構的第一道抗震防線中的構件，罕遇地震作用下普通鋼支撐地震響應主要通過鋼材的等效塑性應變PEEQ進行考察。PEEQ大于0，表明材料發(fā)生了屈服，該變量描述的是整個變形過程中塑性應變累積的絕對值之和，隨著塑性發(fā)展逐漸增大。提取各工況地震輸入完成后的結構狀態(tài)即可得到鋼管橫截面四角積分點的塑性應變出現和發(fā)展情況。

各工況地震波輸入結束后，鋼支撐四角積分點包絡等效塑性應變PEEQ。L845-8YX工況下鋼支撐等效塑性應變如圖10所示，從圖中可見，約30%的普通鋼支撐等效塑性應變PEEQ大于0，進入塑性的絕大部分普通鋼支撐PEEQ小于0.01，加強層腰桁架中的普通鋼支撐PEEQ小于0.003，塑性發(fā)展程度較輕。

普通鋼支撐軸向塑性應變如圖11所示，其中最大受壓塑性應變?yōu)?0.003 2，最大受拉塑性應變?yōu)?.001 5，說明絕大部分進入塑性的普通鋼支撐塑性發(fā)展程度較輕。加強層腰桁架中的普通鋼支撐塑性應變小于0.003，塑性發(fā)展程度較輕。

4.3 BRB地震響應分析

BRB與普通鋼支撐構成結構第一道抗震防線，罕遇地震作用下絕大部分BRB均屈服耗能。34層西南角伸臂BRB單元編號為81，87，85和75，人工波L845-8YX工況下34層西南角伸臂BRB單元滯回曲線如圖12所示，圖中可以看出伸臂處的BRB均屈服耗能，滯回曲線飽滿，最大位移約32mm。

人工波L845-8YX工況下，結構下部2，3，6層的BRB滯回曲線如圖13所示，從圖中可以看出各BRB均充分屈服耗能，滯回曲線飽滿，起到良好的消能效果，BRB最大變形小于40mm，未達到極限變形。

4.4 鋼管混凝土柱地震響應分析

鋼管混凝土柱為結構的第二道抗震防線中的構件，罕遇地震作用下鋼管混凝土柱地震響應主要通過鋼管柱中混凝土的應變及鋼管塑性發(fā)展情況進行考察。鋼管混凝土柱中混凝土應變如圖14所示，從圖中可以看出，局部柱邊緣混凝土壓應變絕對值小于0.002，混凝并未壓潰。其他絕大部分混凝土壓應變小于0.001 2，截面邊緣混凝土進入塑性，但并未充分發(fā)展。

圖10 L845-8YX工況下普通鋼支撐等效塑性應變

圖11 L845-8YX工況下普通鋼支撐軸向塑性應變

圖12 人工波L845-8YX工況下34層西南角伸臂BRB單元滯回曲線

圖13 人工波L845-8YX工況下結構2，3，6層BRB滯回曲線

地震波輸入結束后，鋼管四角積分點等效塑性應變PEEQ如圖15所示，從圖中可以看出，不同工況下約10%的鋼管等效塑性應變PEEQ大于0，絕大部分進入塑性的鋼支撐等效塑性應變PEEQ小于0.01，說明鋼管峰值塑性應變絕對值之和小于0.01，絕大部分進入塑性的鋼管柱塑性發(fā)展程度較輕。以上結果說明鋼管混凝土柱還具有較高的剩余承載力，結構滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

圖14 L845-8XY工況下鋼管柱中混凝土應變

圖15 L845-8XY工況下鋼管四角積分點等效塑性應變PEEQ

5 結論

某8度區(qū)超高層鋼結構采用了863根普通鋼支撐，并在結構底部加強區(qū)和伸臂桁架腹桿處設置了104根BRB，對結構抗震性能進行了分析，研究結果表明：

(1)伸臂桁架是本工程中的重要抗側力構件，普通伸臂桁架由于斜腹桿受壓屈曲導致耗能能力不足，將伸臂斜腹桿替換成BRB，可取得較好的消能減震效果。

(2)普通鋼支撐為第一道抗震防線中的主要抗側力構件之一，應考慮其拉壓不對稱滯回特性，采用施加初始幾何缺陷的方法對普通鋼支撐拉壓不對稱進行了模擬，結果表明初始幾何缺陷對支撐初始軸力有較大影響，但對支撐整體的滯回曲線影響不大，普通鋼支撐的長細比越大，初始幾何缺陷導致受壓承載力下降越顯著。

(3)對整體結構進行了動力彈塑性時程分析，結果表明結構滿足“大震不倒”的設防目標。