陳旭元

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院， 江蘇 南通 226300）

0 前言

地震是一種極具毀滅性的自然災(zāi)害，會(huì)造成建筑物的破壞與人員傷亡。我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，因此對(duì)建筑物的抗震設(shè)計(jì)成為相關(guān)人員關(guān)注的重點(diǎn)，目前從相關(guān)地區(qū)研究可以發(fā)現(xiàn)，限制屈曲支撐（BRB）具有更理想的延性結(jié)構(gòu)性能，可以強(qiáng)化鋼框架的抗震性能，因此值得關(guān)注。

1 限制屈曲支撐（BRB）力學(xué)性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征分析

限制屈曲支撐作為一種新型能耗抗震，無(wú)論是受壓還是受拉等都可以達(dá)到全截面屈服狀態(tài)，最終有效解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在的受壓易屈曲的問(wèn)題。從力學(xué)性能來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)可以提供理想的抗側(cè)剛度，即使遇到罕見(jiàn)地震，也能大量的吸收地震能量，最終保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

從構(gòu)造上來(lái)看，限制屈曲支撐主要可以分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，分別為外圍約束套管單元與內(nèi)核芯桿單元等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員通過(guò)向兩者之間填充一定數(shù)量的細(xì)石混凝土骨料、砂漿等，實(shí)現(xiàn)了外圍約束套管對(duì)內(nèi)核芯桿的約束，改善其受壓屈曲問(wèn)題。同時(shí)在設(shè)計(jì)期間，通過(guò)在外圍約束單元以及內(nèi)核芯桿單元之間增設(shè)一層無(wú)粘結(jié)材料層，并預(yù)留一定的空隙，這種設(shè)計(jì)方法也有效改善外圍約束套管的受力情況。

1.2 限制屈曲支撐的穩(wěn)定性研究

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度來(lái)看，造成屈曲或者失穩(wěn)的主要原因，是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)所承受的壓力造成了幾何改變，最終造成喪失承載力的問(wèn)題，此時(shí)無(wú)論結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與否，其受力過(guò)程都可以從結(jié)構(gòu)荷載的變化情況予以分析，在了解整個(gè)荷載過(guò)程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度變化之后，就可以對(duì)其力學(xué)特征做進(jìn)一步研究。

就目前而言，完善的軸心受壓構(gòu)件與其他類型的失穩(wěn)都會(huì)造成結(jié)構(gòu)的改變，在根據(jù)圖1 的相關(guān)內(nèi)容來(lái)闡述這個(gè)受力變化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)其荷載-位移曲線的變化情況，可以明顯發(fā)現(xiàn)到：當(dāng)壓力達(dá)到臨界荷載水平后，平衡路徑發(fā)生分岔，結(jié)構(gòu)的未屈曲的直線開(kāi)始向屈曲改變，此期間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生變化。

圖1 穩(wěn)定分岔失穩(wěn)示意圖

而從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)圖1 的失穩(wěn)之后，其結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)屈曲，則會(huì)造成結(jié)構(gòu)的剛度下降，并由此而引發(fā)不同程度的變形；但是此時(shí)還需要注意的是，結(jié)構(gòu)在屈曲之后依然存在的強(qiáng)度，此時(shí)可以理解為結(jié)構(gòu)具有承擔(dān)大于屈曲荷載的承載能力[1]。所以，這種屈曲破壞是有預(yù)兆的延性破壞。

受初始缺陷等因素的影響此類結(jié)構(gòu)的平衡路徑轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l穩(wěn)定的上升型非線性曲線（如圖1 中的虛線），此時(shí)結(jié)構(gòu)不再像理想桿件那樣存在分岔點(diǎn)。通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析后，認(rèn)為初始缺陷對(duì)此類結(jié)構(gòu)承載力的影響小，但是相比之下，結(jié)構(gòu)的剛度下降速度明顯超過(guò)預(yù)期，因此所產(chǎn)生的變形更高，最終影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

2 限制屈曲支撐（BRB）鋼框架的抗震性能分析

在本次研究中，為了能夠?qū)︿摽蚣艿目拐鹦阅茏鞒稣_的判斷，使用有限元分析元件對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了詳細(xì)的討論，通過(guò)模擬地震環(huán)境，追蹤了結(jié)構(gòu)體系的最終破壞模式。

2.1 模型的建立

某建筑物采用了八層鋼框架結(jié)構(gòu)體系，建筑每層高度約為3.6m，總高度28.8m。在該建筑物的梁截面、柱截面設(shè)計(jì)中，選擇了熱軋普通H 型鋼，鋼材的屈服強(qiáng)度達(dá)到了215N/mm2；縱向柱、橫向柱的間距均為7.2m；樓板厚度為100mm，所使用的混凝土等級(jí)為C30。

該建筑物設(shè)計(jì)期間，按照8 度抗震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，為Ⅱ類場(chǎng)地。

在本次研究中，假設(shè)樓板在自身平面內(nèi)的剛度無(wú)限大，因此在有限元軟件分析過(guò)程中各層樓板所設(shè)置的剛性隔板可以滿足上述假定；分析期間不考慮建筑物自身與基礎(chǔ)之間的相互作用影響，因此在分析過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間具有滿意的固結(jié)效果。

2.2 反應(yīng)譜分析

在有限元分析的基礎(chǔ)上，軟件模擬結(jié)果顯示，在八層鋼框架結(jié)構(gòu)上，第一振型為H 型鋼柱弱軸方向，即模型整體坐標(biāo)的Y 軸方向，振動(dòng)周期為1.8s；第二振型在X 軸方向上，周期為1.5s；第三振型為整體扭轉(zhuǎn)，周期為1.3s。在限制屈曲支撐的鋼框架下，其產(chǎn)生的層間位移角度滿足各地區(qū)的質(zhì)量規(guī)范（≤1/300）。同時(shí)在對(duì)限制屈曲支撐鋼框架各層的的位移情況進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)其整體上的位移水平（如基底剪力、層間位移角等）處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，證明在該建筑物的仿真分析中，限制屈曲支撐結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出了相對(duì)理想的耗能性能。

2.3 時(shí)程分析

2.3.1 時(shí)程分析的基本假定

在對(duì)限制屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析期間，本文結(jié)合有限元分析的要求提出了以下假設(shè)：（1）假設(shè)地基為剛性，因此在仿真分析中不需要考慮地基與上部結(jié)構(gòu)的結(jié)合問(wèn)題。（2）假定樓層的全部質(zhì)量集中在樓板上，且樓層的剛度在平面內(nèi)是無(wú)限大的。

2.3.2 地震波的選擇

地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)是一種頻帶較寬的非穩(wěn)定隨機(jī)過(guò)程，在不同的條件下，地震所能產(chǎn)生的效果是不同的，因此為了保證本次分析的穩(wěn)定性，本文選取了具有代表性的EL-centro 波為地震波，對(duì)限制屈曲支撐鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行判斷。此時(shí)為了保證仿真結(jié)果的可靠性，對(duì)地震時(shí)的強(qiáng)度水平進(jìn)行修真，將地震波的加速度峰值的所有離散點(diǎn)都按照固定值進(jìn)行放大、縮小[2]。

2.3.3 多遇地震下的時(shí)程分析

在多遇地震的基礎(chǔ)上，本文將限制屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系對(duì)應(yīng)于EL-centro波下，并根據(jù)我國(guó)的相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彈性時(shí)程進(jìn)行分析，計(jì)算不同時(shí)程曲線的結(jié)構(gòu)底部剪力結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，在多遇地震的EL-centro 波下，限制屈曲支撐鋼框架的時(shí)程分析結(jié)果為1465.26。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以證明，在多遇地震條件下，限制屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移明顯滿足相關(guān)規(guī)范要求，在這種地震環(huán)境下，限制屈曲支撐處于彈性狀態(tài)下，內(nèi)核芯桿未屈服，證明此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的整體造型相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能造成破壞。

2.3.4 罕遇地震下的時(shí)程分析

在按照上文的研究過(guò)程，分析了罕遇地震下的時(shí)程分析結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果顯示，在罕遇地震條件下，因?yàn)樵撲摽蚣芫哂邢拗魄蔚拇嬖?，在地震環(huán)境下，內(nèi)核芯桿達(dá)到了全截面屈服的效果，因此在改善結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度時(shí)發(fā)揮了滿意的耗能作用。根據(jù)這一結(jié)果可以判斷，在罕遇地震環(huán)境下，限制屈曲支撐良好的耗能性能和結(jié)構(gòu)延性。

3 結(jié)論

在鋼框架設(shè)計(jì)中，限制屈曲支撐(BRB)因具有滿意的力學(xué)性能可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是一種科學(xué)的支撐設(shè)計(jì)方案。同時(shí)根據(jù)本文的有限元分析結(jié)果可知，在地震環(huán)境下，限制屈曲支撐鋼框架展示出了理想的穩(wěn)定性，因此值得在更多地區(qū)做進(jìn)一步推廣。