鋼框架防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的減震性能分析

姚 希

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100010）

0 引言

目前傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法往往側(cè)重于增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的柔韌性以承受地震響應(yīng)。這種方法可以節(jié)省一定的工程費(fèi)用，但由于地震的烈度和特征不明，強(qiáng)烈的地震會(huì)破壞建筑物，造成巨大的損失和經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)地震方法無法預(yù)防地震大地震造成的破壞。

1988 年，Watanabe 等人。他們以灌注混凝土的鋼管為界，預(yù)埋支架作為芯管內(nèi)支架，反復(fù)加載芯管內(nèi)支架屈服（SPY），制動(dòng)性能相當(dāng)好。后來又研制成功了一種結(jié)構(gòu)緊湊、難以觸及的金屬支撐潤(rùn)滑器，又稱扭轉(zhuǎn)消能管支撐[1]。

1990 年，Sridhara 提出了壓縮拉索的概念，其目的是通過載體在負(fù)載下拋出的內(nèi)芯產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來增加部件的承載能力。如果主體的彎曲應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，除了鋼材的屈服強(qiáng)度外，還可以將其轉(zhuǎn)換為支撐以獲得更高的抗拉強(qiáng)度[2]。

1999 年，clarke 等人。對(duì)三組大型扭力桿進(jìn)行了測(cè)試。兩個(gè)部分的形狀選擇為矩形，第三個(gè)部分的形狀選擇為橫截面。位移記錄用于評(píng)估抗震性能，并進(jìn)行了短期重復(fù)負(fù)載測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)板間位移為3%，相應(yīng)的支撐位移為2%左右。測(cè)試結(jié)果表明，支架的滯后系數(shù)非常穩(wěn)定[3]。

我國(guó)第一個(gè)橫向防屈曲支撐研究來自臺(tái)灣。2001 年，陳正誠(chéng)等制作了12 個(gè)試件，分為三組依次進(jìn)行測(cè)試。試件主支撐為矩形截面A36 鋼板，支撐方式為鋼筋混凝土、鋼管、鋼筋混凝土組合管。測(cè)試結(jié)果表明，所有支架的能耗都很高，但在循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，采用鋼筋混凝土修復(fù)機(jī)制的試件存在局部損傷和焊接損傷，而采用復(fù)合鋼管修復(fù)方式的試件耗能能力最佳[4]。

2009 年，世博中心項(xiàng)目采用了扭力桁架。以世博中心為例，周建龍等人。討論優(yōu)先考慮承受功率和支撐功率的有效設(shè)計(jì)方法，并提出設(shè)計(jì)中需要解決的主要問題和方法，包括確定偏轉(zhuǎn)功率支撐的電阻和耗散等級(jí)、設(shè)計(jì)與裝配、產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等[5]。

2011 年，趙俊賢等人。他們提出了一種新型的抗纏繞全角鋼消能支撐（ABRB），并制作了樣品來測(cè)試半靜態(tài)滯后性能。研究結(jié)果表明，鐵芯的機(jī)械返回部分對(duì)防止永久扭轉(zhuǎn)耗散彎曲非常有效[6]。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)體系及其他特點(diǎn)

1.1 高層鋼結(jié)構(gòu)體系

1.1.1 純鋼框架結(jié)構(gòu)體系

鋼架體系是最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的鋼架體系。主要靠鋼梁、柱的彎曲來抵抗水平力。如果建筑物的高度太高或水平受力（地震、風(fēng)荷載）大，容易造成較大的橫向位移。結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)水平方向和垂直方向組織，框架是雙向內(nèi)力和側(cè)向力的組合標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)配置通常包括強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換。純框架體系的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕、重量輕、柔韌性好、內(nèi)部空間大、結(jié)構(gòu)靈活。主要缺點(diǎn)是側(cè)向剛度低，易受強(qiáng)震破壞，不易修復(fù)。

1.1.2 鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系

隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，它與結(jié)構(gòu)的表面相遇，在純框架結(jié)構(gòu)中加入防止側(cè)向位移構(gòu)件（如剪力墻）以抵抗水平力，故稱為剛性結(jié)構(gòu)墻。在我國(guó)應(yīng)用廣泛，多層鋼架建筑主要采用這種結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中剪力墻的位置通常在樓梯間或隔墻中。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)具有柔性框架體系的特點(diǎn)，可以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度。目前廣泛應(yīng)用的有板式剪力墻、預(yù)制板剪力墻和混凝土剪力墻。

1.1.3 鋼框架一支撐結(jié)構(gòu)體系

在我國(guó)現(xiàn)代高層建筑體系中，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在實(shí)際施工中應(yīng)用最為廣泛，效率最高。一個(gè)新的堅(jiān)固的兩層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為干凈的框架系統(tǒng)增加了垂直支撐。額外的垂直支撐提供橫向剛度和下垂控制，并有助于提高水平承載能力。支架的數(shù)量以及承載能力和支架放置的差異會(huì)顯著影響支架性能。有兩種主要類型的支撐：中心支撐或偏心支撐。對(duì)于高層建筑的內(nèi)部和外部應(yīng)用，通常配有可調(diào)節(jié)的支撐。

1.1.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

圓柱形建筑系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑和特殊結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)元素的組合，以創(chuàng)建可承受各個(gè)方向的水平載荷的圓柱形結(jié)構(gòu)。例如，在鋼筋混凝土墻體系統(tǒng)中，鋼筋混凝土墻體設(shè)計(jì)成封閉柱的形式，以承受水平荷載和扭轉(zhuǎn)，稱為中心框架和管狀結(jié)構(gòu)。

1.1.5 束筒結(jié)構(gòu)體系

該結(jié)構(gòu)由內(nèi)壁分隔的多組圓柱體組成，形成管梁結(jié)構(gòu)體系，增加了結(jié)構(gòu)的豎向收縮，一定程度上減小了剪力滯效應(yīng)。

1.2 超高層鋼結(jié)構(gòu)框架+防屈曲支撐體系

過去，混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土磚因其經(jīng)濟(jì)性、耐久性和材料適用性，它用于許多建筑物。然而，隨著整體經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市數(shù)量的增加，對(duì)高品質(zhì)建筑的需求也在不斷增加，建筑物的承重能力越來越大，因此人們對(duì)建筑物的要求也越來越高和更高。盡管懸臂、高層建筑等建筑不斷涌現(xiàn)出無限可能，但傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物由于強(qiáng)度高、耐久性和互換性高，難以滿足上述要求。同時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)建筑具有強(qiáng)度高、重量輕、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好、性能穩(wěn)定、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)代的建筑（尤其是塔樓）中多采用鋼結(jié)構(gòu)建筑。

傳統(tǒng)的金屬框架結(jié)構(gòu)具有固有重量。隨著建筑物高度的增加，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量增加。由于抗震強(qiáng)度直接關(guān)系到建筑物的質(zhì)量，使用鋼材增加立柱數(shù)量會(huì)減少材料的使用，減少空間的使用，影響房屋的舒適度。節(jié)省空間和施工成本，使用方便。另外，隨著高度的增加，水平力也隨之增加，由于純鋼材工藝變化大，偏差大，影響所用材料的安全性。

建筑物的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)通過以下方式增加其構(gòu)件的強(qiáng)度和耐久性并增加由于塑性變形而傳遞給建筑物的地震能量的耗散來承受地震力。鋼支撐增加結(jié)構(gòu)的橫向剛度，而支撐引起塑性變形。減震性能差、結(jié)構(gòu)傳力差、承重加固通道差，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，難以修復(fù)，喪失原有功能。鋼架+彎曲鋼筋（BRB）不僅增加了結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，而且增強(qiáng)了吸收地震能量的能力，使結(jié)構(gòu)體系更加安全。廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)+折彎（BRB）高層建筑。

2 防屈曲支撐的基本原理

2.1 基本組成及作用

防屈曲支撐由三部分組成。內(nèi)鋼芯、外塞和它們之間的非粘合層或空隙。鋼鉚釘具有良好的抗彎強(qiáng)度和彎曲性，因此在加載時(shí)不會(huì)向側(cè)面凸起。在彎曲軸承的情況下，只有底板連接到其他部件，所有載荷都通過底板傳遞。抗旋轉(zhuǎn)核心材料提供出色的延遲，防止外殼和墊片在負(fù)載下彎曲主板，使其在壓力下變形、拉伸和壓縮。

一方面，防腐基材避免了傳統(tǒng)支架壓差大、承載能力差等缺點(diǎn)。同時(shí)，金屬屏障的能量耗散能力起到了“保險(xiǎn)絲”的作用，使核心結(jié)構(gòu)保持在最有彈性的狀態(tài)。除了提高軸向載荷下的承載能力外，它還可以提供拉伸和壓縮延展性以消散地震能量。該保護(hù)器通過預(yù)先保護(hù)芯部結(jié)構(gòu)免受顆粒損傷，達(dá)到防止變形和損傷控制的目的。因此，使用扭力防屈曲支撐可以提高現(xiàn)有杠桿在中等地震時(shí)的抗震性能。

2.2 技術(shù)要點(diǎn)與工作耗能原理

彎曲支架基本上具有兩個(gè)技術(shù)特征。一種是能夠限制彎曲變形的彎曲系統(tǒng)，另一種是防止或減少軸向力傳遞的機(jī)構(gòu)。下面結(jié)合這兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)來解釋一下防纏繞功耗的基本原理。一個(gè)普通的軸承在向其兩端施加力時(shí)可以軸向移動(dòng)，但軸向變形主要是由于軸承的軸向彎曲，而沿軸承中心軸線的壓縮并沒有改變行為，且沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的靈活性。從軸向力和受壓元件的阻力矩方面考慮，可以看出彎矩較小，對(duì)應(yīng)的軸向支撐力越小。

與傳統(tǒng)支架一樣，扭轉(zhuǎn)支架在彈性變形范圍內(nèi)為支撐結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度。然而，在過渡到彈性后，抗摩擦軸承在流動(dòng)階段后開始塑性變形，而沒有正常軸承因多次地震燒毀而出現(xiàn)的壓縮失穩(wěn)。此外，抗扭抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度接近，因此在反復(fù)加載時(shí)滯后曲線平滑完整，抗沖擊性能優(yōu)于普通軸承。

2.3 防屈曲支撐界面形式、類型及布置原則

2.3.1 防屈曲支撐界面形式

由于結(jié)構(gòu)的不同條件，它們需要不同的能量和功率消耗，常用的螺旋鋼板有直板、橫板、工字形、空心矩形等形狀。外部約束通常用砂漿或混凝土和鋼管填充，以提供所需的抗彎強(qiáng)度。

2.3.2 防屈曲支撐類型

扭力桿按作用分為消能扭力桿、承載扭力桿和彎曲桿三種。其中，散熱防偽墊不僅能防止元器件彎曲，還能保證主板變形后的散熱能力。耗能抗彎支撐適用于由薄層阻力支撐的耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除增加結(jié)構(gòu)剛度和承載能力外。使用緊固件時(shí)，它們只能用于增加結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。襯弧的屈曲力由目標(biāo)設(shè)計(jì)要求確定，防彎曲支架可防止在緊固前彎曲。

2.3.3 防屈曲支撐布置原則

設(shè)計(jì)彎頭時(shí)，重要的是要考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，質(zhì)心和剛度中心應(yīng)盡可能耦合。還需要保證結(jié)構(gòu)剛度的均勻分布，避免因應(yīng)力集中引起的突然變化。傳統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)大致分為實(shí)心、V 型、人字型、K 型、X 型五種，桁架通常采用V 型、單切或人字型結(jié)構(gòu)，以防止節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位。為了保持建筑物的功能和保證結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，必須將抗彎原理設(shè)置在能保證最大能量耗散的位置。規(guī)劃原則是：

（1）地震產(chǎn)生較大內(nèi)支撐力的部位；

（2）地震時(shí)樓層間位移較大的樓層；

（3）必須沿結(jié)構(gòu)的兩條主軸線分別布置；

（4）提供單對(duì)角支架、人字形或V 形支架和偏心支架。

3 工程概況

本項(xiàng)目是在昆明市龍泉街道規(guī)劃建設(shè)的一座摩天大樓。項(xiàng)目地下一層，地上55 層，頂層層高6.8m。主體建筑高206.4m，中心柱以上高度180m。建筑X 軸寬36.2m，Y 軸寬44.8m，標(biāo)準(zhǔn)建筑面積1621.76m2，使用壽命50 年。

建筑物抗震強(qiáng)度為8 度，計(jì)算熱量為0.2g，目標(biāo)有3 種坡度，特征時(shí)間Tg=0.65s，鋼架和堅(jiān)固墻體抗震1 級(jí)。第三組為設(shè)計(jì)抗震組。結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)0.025，基礎(chǔ)風(fēng)壓0.35 kN/m2，荷載按《建筑荷載計(jì)算規(guī)范》（GB50009-2012）計(jì)算，重現(xiàn)期為100 年。由于不考慮雪荷載和屋拱荷載，基礎(chǔ)的雪壓為0.35 kN/m2，雪荷載小于屋拱荷載，因此荷載不高。

4 超高層鋼框架+防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的減震性能分析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分

4.1.1 結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

建筑由中央鋼架支撐，高度超過200m，是一種特殊類型的摩天大樓。由于是高強(qiáng)度地區(qū)，在分析和設(shè)計(jì)建筑物時(shí)必須考慮抗震性能。本工作的思路是在抗震柔度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行高靈敏度抗震分析驗(yàn)證計(jì)算，綜合評(píng)價(jià)建筑物的抗震性能。

4.1.2 支撐的布置形式

考慮到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，立柱應(yīng)盡可能靠近重量和強(qiáng)度放置，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)均勻分布在界面上，使應(yīng)力集中的突然變化不影響結(jié)構(gòu)建筑物的功能和結(jié)構(gòu)完整性，只要滿足整體強(qiáng)度，應(yīng)選擇對(duì)能耗影響最大的支撐位置。規(guī)劃原則如下：

（1）產(chǎn)生較大支撐力的部分；

（2）應(yīng)沿結(jié)構(gòu)的兩條主軸線分開放置；

（3）可用于單傾斜支架、人字形或 V 形支架和角支架。

4.2 多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析

《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)于經(jīng)常發(fā)生7～9 級(jí)地震的高層建筑，下列情況需采用彈性計(jì)算法進(jìn)行附加評(píng)估。

（1）高層建筑；

（2）乙、丙類高層建筑；

（3）不符合本規(guī)程要求的高層建筑；

（4）本條例第十章規(guī)定的高層綜合設(shè)施；

（5）豎向質(zhì)量分布不均勻的高層建筑。

在動(dòng)力地震分析中，往往需要仔細(xì)選擇地震波并記錄地震波影響結(jié)構(gòu)的時(shí)間序列。

4.2.1 地震波的選取

根據(jù)我國(guó)規(guī)定，結(jié)構(gòu)歷史分析必須滿足以下要求：

（1）根據(jù)施工場(chǎng)地等級(jí)和預(yù)估地震組，至少選取2 條地震記錄和1 條模擬動(dòng)力曲線，且強(qiáng)震記錄數(shù)量大于2/3。平均地震系數(shù)應(yīng)與譜響應(yīng)法確定的地震系數(shù)一致。對(duì)于底部振動(dòng)減少65%的模型響應(yīng)譜，根據(jù)多小時(shí)歷史計(jì)算的平均底部位移應(yīng)至少為從歸一化減少響應(yīng)譜獲得的底部振動(dòng)的80%。

（2）地震波的選取應(yīng)考慮地震運(yùn)動(dòng)的三個(gè)分量，即有效峰值、光譜特性和時(shí)間根據(jù)地球的實(shí)際情況而變化。地震力包括高位移、高速度和高加速度，它們代表地震動(dòng)記錄中最強(qiáng)的部分。我們通常選擇地震時(shí)的最大加速度作為地震規(guī)劃的抗震準(zhǔn)則。

4.2.2 無支撐結(jié)構(gòu)與普通支撐結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析

根據(jù)我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），選取地震波計(jì)入計(jì)算時(shí)，必須滿足“穩(wěn)定比”的要求。也就是說，它必須滿足多小時(shí)的要求。模態(tài)分解和平均曲線及譜響應(yīng)小波地震活動(dòng)系數(shù)的方法。與運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線相比，結(jié)構(gòu)主要模態(tài)（前3 階）對(duì)應(yīng)的周期點(diǎn)小于20%，結(jié)構(gòu)主要向下方向的平均側(cè)向力大于20%。65%以上正態(tài)分解法和地震波烈度計(jì)算結(jié)果的反應(yīng)譜。

5 結(jié)論

本文闡述了防屈曲支撐在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、其工作原理、力學(xué)模型和承載力的計(jì)算及其相關(guān)參數(shù)（如等效剛度、等效截面面積、等效阻尼比等），介紹了防屈曲支撐的優(yōu)缺點(diǎn)等。在之前的理論基礎(chǔ)上，本文以一個(gè)擬建的56 層的鋼框架結(jié)構(gòu)為研究背景，首先分別建立了無支撐結(jié)構(gòu)、兩種不同布置形式的普通支撐結(jié)構(gòu)以及防屈曲支撐結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)模型，對(duì)四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析對(duì)比；接著對(duì)無支撐結(jié)構(gòu)與普通支撐（第2 種支撐布置形式）結(jié)構(gòu)以及防屈曲支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析及彈性時(shí)程分析；最后選擇普通支撐結(jié)構(gòu)（第2 種布置形式）和防屈曲支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的抗震分析。