屈曲约束支撑(BRB)在某钢结构教学楼中的应用

屈曲约束支撑（BRB）在某钢结构教学楼中的应用
摘要：消能减震技术在高烈度地区建筑抗震设计中应用越来越广泛，以云南某7
度区教学楼结构设计为例，在钢结构体系中应用了屈曲约束支撑（BRB）减震技术，通过探讨设计方法、设计思路及分析计算结果，对在钢结构中应用屈曲约束
支撑（BRB）减震技术的效果进行了总结。

关键词：钢结构屈曲约束支撑（BRB）；减震技术
1.项目概况
某教学楼项目位于云南省，抗震设防烈度7度（0.15g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。

教学楼采用钢框架结构体系，钢框架抗震等级为三级；
为了提高结构的抗震性能，尤其是罕遇地震下结构的抗倒塌性能，确保结构在地
震作用下的安全性，本工程采用了减震技术。

2.设计方法
2.1 减震设计目标
本工程减震设计目标为：在多遇地震作用下，结构须完全保持弹性，非结构
构件无明显损坏；在罕遇地震作用下，其消能减震器系统的功能仍能正常发挥。

（具体详表2.1）
2.2 减震器选择
本项目采用的消能减震器是屈曲约束支撑。

屈曲约束支撑是利用芯材作为能
量吸收材料，利用钢材的屈服变形滞回耗能来吸收地震能量，属位移型阻尼器。

屈曲约束支撑解决了普通钢支撑的失稳破坏的问题，使钢结构支撑在受拉和
受压时候性能一致，从而大大提高了钢材的利用率。

屈曲约束支撑成为了结构的
耗能元件，起到结构“保险丝”的作用。

屈曲约束支撑结构延性性能好，耗能能力强，且施工方法与普通钢结构支撑相同，施工进度快，质量可靠。

2.3减震设计思路
消能减震结构主要是通过设置消能减震装置以控制结构在不同烈度地震作用
下的预期变形，从而达到不同等级的抗震设防目标。

具体设计内容主要包括确定PKPM软件中结构的等代支撑刚度，确定消能减震器参数和数量，以及消能减震
器的安装位置及型式；计算附设减震器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应，进行弹性时程分析，复核小震下位移角；罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件
的设计。

3.屈曲约束支撑（BRB）设计参数及布置
3.1屈曲约束支撑设计参数
根据结构设计方案中所述方法，由于轴线长度大约为5908mm~7769mm，因
此将屈曲约束支撑进行归并，通过调整弹性段来使屈曲约束支撑种类不致过多，
本工程减震器的性能参数，见表3.1。

4.屈曲约束支撑（BRB）等代支撑刚度的计算
屈曲约束支撑真正的耗能部分仅是芯板部分，耗能部分与非耗能部分串联组
成支撑刚度。

Ae为PKPM模型中等代截面面积，Le为支撑轴线长度，则支撑在
模型中等效刚度Ke按下列公式计算为。

经计算，PKPM中等代支撑截面采用箱型
截面100x100x12。

5.地震波的选取
《建筑抗震设计规范》（GB50011）规定，采用时程分析法时，应按建筑场
地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。

本工程
选取了实际2条强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线。

经计算分析，每条波
计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条波计算所
得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的80%。

每条地震波
输入计算不大于135%，平均不大于120%，满足规范要求。

6.弹性时程分析
6.1屈曲约束支撑（BRB）的模拟
本工程使用有限元分析软件SAP2000建立结构模型，并进行计算与分析。

SAP2000模型中屈曲约束支撑采用非线性单元Plastic（Wen）模拟。

6.2 弹性分析结果
通过分析屈曲约束支撑小震下的出力、位移、滞回曲线及有控结构能量耗散
时程曲线，所有类型的屈曲约束支撑在小震下的受力均小于屈曲约束支撑的屈服力，因此设置屈曲约束支撑达到“小震弹性”的设防目标。

7.结构弹塑性时程分析
7.1 建立大震模型
在SAP2000中，使用连接单元Plastic（Wen）准确模拟屈曲约束支撑，主体
结构框架梁、柱均定义塑性铰。

弹塑性时程分析过程考虑材料非线性，采用小变
形假定，不考虑结构的几何非线性。

对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系数为0。

弹塑性时程分析过程中，根据规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度为
310cm/s2。

选取弹性时程分析中的三条地震波进行大震分析，分析结果取包络值。

针对便于对减震器周边子结构进行设计，本工程建立弹塑性模型时，对于子结构
梁柱构件未设置塑性铰，以便于获得子结构在大震作用下的弹性内力，进行后续
的子结构设计。

7.2 弹塑性时程分析结果
经计算大震作用下X方向最大层间位移角由1/89减小到1/157，Y方向最大
层间位移角由1/86减小到1/162；结果表明：在大震作用下，屈曲约束支撑提高
了抗侧刚度，楼层位移减小到减震前的50%左右。

7.3结构出铰情况
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011），为了保证“大震不倒”，结构在地
震作用下必须具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性，
结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。

下图列举了SAN地震波作用下的出铰
顺序，来说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况。

8、结论
通过整体模型的弹性和弹塑性时程分析，对在钢结构中应用屈曲约束支撑减
震技术的效果总结如下：
1）大震作用下，屈曲约束支撑均进入塑性滞回耗能，发挥了良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保证。

本建筑为教学楼，属重点设防类建筑，
采用了屈曲约束支撑，当建筑遭遇强烈地震后，主体结构将不会破坏，从而保护
建筑物内人员安全和财产安全。

2）本工程若仅采用纯钢框架结构方案，结构的抗侧刚度偏小，特别是短方
向在地震作用下结构的最大层间位移角不满足《建筑抗震设计规范》（GB50011）的要求。

采用屈曲约束支撑后，提高了结构在小震阶段的抗侧刚度，满足地震作
用下层间位移角的要求，同时提高结构的在中、大震下的耗能能力，减轻在未来
大震下主体结构钢梁、钢柱的损伤。

3）钢结构作为一种轻质高强材料结构体系在高烈度区采用，本身已具有抗
震优势，本工程在多层钢框架体系中应用屈曲约束支撑减震技术，能有效控制梁、柱截面尺寸，节省用钢量，增加建筑的使用面积。

参考文献：
[1]杨勇.SAP2000结构设计实例详解.北京：中国建筑工业出版社，2015.
[2]潘鹏.建筑消能减震结构设计与案例.北京：清华大学出版社，2014.。