屈曲约束支撑混凝土框架地震响应分.pdf

收稿日期收稿日期： 作者简介：作者简介：董劲松（1988）,男,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生； 屈曲约束支撑混凝土框架地震响应分屈曲约束支撑混凝土框架地震响应分 摘摘 要：要：本文以一栋 5 层混凝土框架结构为背景，对其采用 TJ型屈曲约束支撑加固前后的结构进行了地 震作用下弹性及弹塑性分析，弹性分析采用振型分解反应谱法，弹塑性分析采用规范推荐的静力弹塑性分 析(push-over)方法，分析结果表明，在多遇地震下，屈曲约束支撑处于弹性状态，为结构提供刚度，在中 震及大震作用下，屈曲约束支撑屈服耗能，为保证结构的安全提供可靠性。 关键词：关键词：屈曲约束支撑；弹性；弹塑性；耗能 中图分类号中图分类号：TU375.4 文献标识码文献标识码: 文章编号文章编号: Analysis of the Earthquake Load Effects of concrete frame structure with Buckling Restrained Braces DONG Jin- song , ZHOU An , CHEN Li- jun (School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) Abstract: Taking a building 5 layer of concrete frame structure as background, the elastic and elastic- plastic analysis are studied for the reinforced structure with buckling restrained braces of the type of TJ under the earthquake load, the elastic analysis is the mode analysis method by response spectrum, static elastic- plastic(push- over) method is recommended by the code, the results shows that: when subjected to the frequent earthquake, the BRB are still in elastic state, and may provide stiffness for the structure, when subjected to the moderate and rare earthquake , BRB are taking the lead in yielding state, providing reliability for safety of the structure. Key words: Buckling Restrained Braces ; elastic ; elastic- plastic ; energy- dissipation 0 引言引言 混凝土框架结构传统的抗震加固方法 有增设钢筋混凝土抗震墙法，加大截面法， 粘钢法， 粘贴碳纤维片材， 外包型钢等方法， 但由于加固后混凝土结构构件的截面尺寸 及配筋率等往往不能满足规范的要求， 所以 在工程应用中有局限性1。采用支撑框架体 系也在抗震加固工程中得到广泛的应用， 但 是由于传统的支撑框架在支撑受压时会产 生屈曲， 往往需要通过加大截面来满足设计 要求，严重降低了其实用性和经济性。鉴于 此， 国外的研究者开发了一种受压时不会发 生屈曲的支撑，称为屈曲约束支撑。本文以 全国中小学抗震加固工程为背景， 研究了采 用屈曲约束支撑加固后混凝土框架结构的 抗震性能。 1 工程概况工程概况 本工程为 5 层混凝土框架结构， 系安徽 省长丰县朱巷中学综合楼主体部分， 结构平 面布置如图 1 所示。按照建筑抗震设计规 范 （GB50011-2010）及相关规范规定，本 工程建筑抗震设防类别为乙类， 抗震设防烈 度为度（0.1g）,设计地震分组为第一组。 场地类别为类场地 2。柱截面尺寸有 500mm500mm、550mm550mm、550mm 600mm、 600mm600mm， 梁截面尺寸有 300mm 700mm、300mm500mm、250mm700mm、 250mm600mm， 板厚 100mm,梁板柱的混凝土 强度等级均为 C25。 由原结构的抗震鉴定报告可知， 原结构 在水平地震作用下的承载力不满足要求， 且 框架类型为单跨框架，不符合规范要求。原 结构实物图及采用屈曲约束支撑加固后的 支撑立面布置如图 2 所示。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 图.1 结构平面布置图 1、8 轴支撑布置 4 轴支撑布置 （a）支撑立面布置图 （b）原结构实物图 图. 2 2 屈曲约束支撑屈曲约束支撑 普通支撑在受压时会发生屈曲， 屈曲后 刚度和承载力大幅降低，在反复荷载作用 下，滞回性能很差。为解决此问题，在支撑 外部套管来约束支撑的受压屈曲， 从而使支 撑在受拉和受压情况下均可达到屈服状态。 屈曲约束支撑由三部分构成，即核心单元， 约束单元及脱层单元，图 3(a)为屈曲约束支 撑构造示意图。核心单元，即芯材，是主要 的受力单元，按照使用类型的不同，芯材可 以由低屈服点钢材或普通低碳钢以及高强 钢制成。对于耗能型屈曲约束支撑，芯材一 般由低屈服点钢材制成， 芯板在轴向力作用 下需能够产生足够大塑性变形， 从而达到耗 能的目的。 约束单元即防止芯板发生屈曲的 外部屈曲约束机构， 主要由套管和填充材料 组成，填充材料可选用砂浆或混凝土。脱层 单元即在芯材和外部约束机构之间设有无 粘结膨胀材料或狭小空气层， 主要是为了减 小芯板受轴力时传给外部约束机构的轴向 力，屈曲约束支撑横截面如图 3(b)所示3。 本工程加固使用的支撑为上海蓝科钢 结构技术有限公司生产的 TJ型耗能型屈 曲约束支撑。 按照构造形式分类， TJ 型屈曲 表表 1 屈曲约束支撑型号及技术参数屈曲约束支撑型号及技术参数 轴号 楼层 BRB 型号 等效截面面积 （mm 2 ） 弹性刚度 （N/mm） 屈服后刚度比 1 1、2、3 层 TJ-E235-20-3600 925 53958 0.01 PDF created with pdfFactory Pro trial version 4、5 层 TJ-E235-10-3600 465 27125 0.01 1、2、3 层 TJ-E235-20-6500 905 29238 0.01 4 4、5 层 TJ-E235-10-6500 450 14538 0.01 1、2、3 层 TJ-E235-20-3600 925 53958 0.01 8 4、5 层 TJ-E235-10-3600 465 27125 0.01 注：TJ表示型号，E235 表示耗能型，芯板材料为 Q235，后两项表示屈服承载力(10KN)和支撑长度。 约束支撑有 TJ型和 TJ型两种型号，TJ- 型屈曲约束支撑的约束套筒采用方形或 矩形钢管，套筒和芯材之间无填充材料，通 过特殊的加劲肋设计实现对芯板约束屈曲 段的约束效应； TJ型屈曲约束支撑约束套 筒也采用钢管， 套筒和芯板之间采用填充材 料实现对芯板的屈曲约束作用。 按照使用功 能分类， TJ 型屈曲约束支撑有承载型支撑和 耗能型支撑两种， 承载型支撑仅能约束构件 屈曲。耗能型支撑不仅能保证构件不屈曲， 还能保证芯板屈服后的耗能能力。目前，屈 曲约束支撑主要的截面形式如图 3(c)所示。 （a）屈曲约束支撑构造示意图 （c）屈曲约束支撑截面形式 支撑节点连接类型有焊接型， 螺栓连接型和 销轴连接型。 耗能型屈曲约束支撑的芯板采 用低屈服点钢材 （160Mpa 和 225Mpa） 或低 碳钢 （Q235） ， 芯板材料性能满足以下要求： （1）强屈比不小于 1.2； （2）伸长率大于 25%； （3）具有常温下 27J 冲击功韧性。 本工程采用的屈曲约束支撑截面类型 为十字形，芯板材料为 Q235，节点连接类 型为焊接型，屈曲支撑布置形式如图 3(d)、 (e)所示。 屈曲约束支撑型号及主要技术参数 如表 1 所示。 （b）屈曲约束支撑横截面图 （d）屈曲约束支撑布置形式 （e）屈曲约束支撑布置形式 可屈服的芯材 砂 浆 钢套管 芯材和砂浆之间的 无粘结材料 屈曲 约束 机构 芯材 无粘结 可膨胀 材料 PDF created with pdfFactory Pro trial version 图. 3 3 结构计算模型结构计算模型 结构计算分析采用 CSI 系列有限元软 件 ETABS9.2 中文版，分析方法采用反应谱 分析及静力弹塑性分析（pushover 分析，或 推覆分析） ，反应谱分析工况时，考虑了双 向地震的耦合，pushover 工况时，屈曲约束 支撑采用弹塑性连接单元 Plastic1，在线性 分析时，采用单元的线性属性，在非线性分 析过程中，采用单元的非线性属性， push- over 分析时，需要定义框架非线性铰， 梁采用 M 铰 （弯矩铰） ， 柱采用 PMM 铰 （轴 力弯矩耦合铰） ，屈曲约束支撑采用用户自 定义 P 铰（轴力铰） ，塑性铰的力- 位移曲线 如图 4 所示，在 A 和 B 间铰内没有变形发 生， 即铰屈服前被假定为刚性的， 点 B 代表 铰的屈服， 当铰到达点 C 时， 开始失去承载 力，点 IO、LS、CP 代表铰的能力水平，分 别对应于 “直接使用” 、 “生命安全” 、 “防 止倒塌”4。模拟地震作用的推覆荷载模式 采用均布荷载模式， 结构抗震能力评估采用 的方法为 ATC- 40 采用的 “能力谱法” 。 屈曲 约束支撑的弹塑性模型为双线型模型。 结构 有限元计算分析模型如图 5 所示。 图. 4 塑性铰力- 位移曲线 图. 5 结构计算模型 4 计算分析结果计算分析结果 4.1 反应谱分析结果反应谱分析结果 结构加固前后的反应谱分析结果如 表 2 所示，由于结构在 Y 向（结构横向） 布置了 25 根屈曲约束支撑，结构的整体 刚度增大，所以结构周期减小。在结构的 向（结构纵向） ，基底剪力、最大楼层 位移、最大层间位移角并无明显变化，在 结构 Y 向，基底剪力增加 41.2%，最大楼 层位移减小 35.6%，最大层间位移角减小 40.9%。各层屈曲约束支撑的轴力如表 3 所示， “+” ， “- ”表示受拉和受压,由结果 可知，屈曲约束支撑的轴力均小于屈服 力，处于弹性状态。 表表 2 反应谱分析结果反应谱分析结果 基底剪力/KN 最大楼层位移/mm 最大层间位移角 比较项 周期/s X Y X Y X Y 加固前 1.35 1060 850 16.1 21.6 1/833 1/625 加固后 0.99 1065 1200 15.8 13.9 1/824 1/1057 变形 荷载 Y X Z PDF created with pdfFactory Pro trial version 表表 3 各层屈曲约束支撑轴力各层屈曲约束支撑轴力/KN 4.2 静力弹塑性（静力弹塑性（push-over）分析结果）分析结果 4.2.1 结构性能点 结构加固前后结构性能点结果如表 4 所示，小震下的计算结果比反应谱分析结 果略小，主要是由于反应谱分析考虑了双 向地震的耦合作用。 加固后， 中震情况下， X 向底部剪力减小 10.5%，顶点位移基本 不变，Y 向底部剪力增加 61.3%，顶点位 移减小 36.2%。大震情况下，X 向底部剪 力减小 12.9%，顶点位移减小 19.3%，Y 向底部剪力增加 56.6%，顶点位移减小 40.6%。相应的大震性能点处加固前后的 层间位移角分布图分别如图 6（a） 、 （b） 所示。结构加固前层间位移角最大值 X 向 1/83，Y 向 1/149，加固后层间位移角最大 值 X 向 1/100，Y 向 1/197，均小于 1/50, 加固前后结构罕遇地震下弹塑性层间位移 角限值均满足规范要求，加固后 X，Y 向 最大层间位移角分别减小 16.7%，24.3%。 表表 4 结构性能点结构性能点 小震 中震 大震 性能点 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 底部剪力/KN 882.8 492.1 1877.2 1051.9 2455.4 1696.3 加固前 顶点位移/mm 12.4 17.7 36.2 38.7 111.3 82.7 底部剪力/KN 738.2 749.5 1679.0 1695.7 2139.0 2656.7 加固后 顶点位移/mm 12.1 11.1 35.7 24.7 89.8 49.1 0 1 2 3 4 5 00.002 0.004 0.006 0.0080.010.012 楼层 层间位移角 X向推覆 Y向推覆 0 1 2 3 4 5 00.0020.0040.0060.0080.01 楼层 层间位移角 X向推覆 Y向推覆 （a）加固前弹塑性层间位移角 （b）加固后弹塑性层间位移角 图.6 楼层 轴号 1 2 3 4 5 +125.4 +108.7 +88.1 +41.6 +19.9 1 - 125.2 - 109.0 - 88.3 - 41.5 - 20.0 4 +91.5 +83.3 +70.8 +29.0 +14.6 +134.3 +1171 +94.8 +44.4 +21.4 8 - 134.5 - 116.7 - 95.0 - 44.5 - 21.3 结果 200 100 PDF created with pdfFactory Pro trial version 4.2.2 塑性铰发展顺序 加固后的结构大震性能点处构件塑 性铰分布及发展顺序如图 7 所示，X 向推 覆下塑性铰分布图如图（a） 、 （b）所示， X 向推覆时， 结构的出铰顺序是梁先于柱， 最终以底层少量柱出现塑性铰结束，且梁 柱的塑性铰能力水平均处于立即使用 （IO） 之前。向推覆时塑性铰发展顺序如图 （c） 、 （d）所示，底层屈曲约束支撑率先 屈服，随着推覆位移的增大，底层梁边端 出现塑性铰，接着屈曲约束支撑塑性铰由 底层向上层发展，并且之前屈服的支撑变 形增大，推覆位移继续增大，梁的塑性铰 向上发展， 最终以底层柱出现塑性铰结束， 顶层有未屈服支撑。结构构件屈服顺序为 屈曲约束支撑先屈服，然后梁屈服，柱最 后屈服， 整体上结构具有合理的破坏机制。 (a) X 向推覆 B 轴框架塑性铰分布图 (b) X 向推覆 C 轴框架塑性铰分布图 (c) Y 向推覆 1 轴框架塑性铰发展顺序 PDF created with pdfFactory Pro trial version ( d) Y 向推覆 4 轴框架塑性铰发展顺序 图.7 4.2.3 屈曲约束支撑轴力变形关系 图 8(a)、 （b）为 1 轴和 4 轴底层支撑 在 Y 方向推覆过程中的轴力- 轴向变形关 系曲线，由图可得，小震作用下，支撑处 于弹性状态，中震前，支撑屈服，在达到 大震的过程中，支撑轴向变形显著增加， 表明屈曲约束支撑具有显著的耗能能力 5。 0 50 100 150 200 250 0102030 轴力/KN 轴向变形/mm 支撑屈服 中震 小震 大震 0 50 100 150 200 250 01020304050 轴力/KN 轴向变形/mm小震 支撑屈服 中震 大震 （a） 1 轴- 1 层支撑轴力- 轴向变形曲线 （b） 4 轴- 1 层支撑轴力- 轴向变形曲线 图. 8 5 结论结论 通过以上分析，可得如下结论： 1. 在弹性阶段，屈曲约束支撑能够在其布 置方向为结构提供刚度， 结构地震力增加， 但结构的层间位移角仍很容易满足要求。 2. 在中震前，屈曲约束支撑能够率先屈服 耗能，为结构提供第一道抗震防线，大震 时， 支撑的塑性变形为支撑屈服位移的 3- 5 倍，表明屈曲约束支撑具有显著的耗能能 力。 3. 底层支撑总是先于上层支撑屈服，所以 应具有足够的承载力和刚度。顶层有未屈 服支撑，为降低造价，可采用屈曲约束支 撑和普通支撑混合布置方式，或仅在地震 反应大的楼层布置屈曲约束支撑6。 参参 考考 文文 献献： 1 殷惠光，姚青，李秉南混凝土框架结构抗震加固设计若干问题的探讨J.徐州工程学院学报，2006,26 (6):1- 4 2 GB50011- 2010，建筑抗震设计规范S. 3 周云，防屈曲耗能支撑结构设计与应用M.北京：中国建筑工业出版社，2007.7- 9 4北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院. ETABS 中文版使用指南M. 北京：中国建筑工业出版社，2004. 40- 50 5孙建华，罗开海，王亚勇等. 含屈曲约束耗能支撑的高层建筑地震作用效应分析J. 工程抗震与加固改造，2007,29(4) : 1- 8 6林昕，夏旭标，孙飞飞. 屈曲约束支撑与普通支撑的混合布置研究J. 建筑钢结构进展，2010,12(2) : 57- 62. PDF created with pdfFactory Pro trial version PDF created with pdfFactory Pro trial version