框架—BRB体系教学楼抗震性能分析

框架—BRB体系教学楼抗震性能分析
柳晓博;孟凡涛;阮兴群;张玉明
【摘要】框架结构抗震性能的改善程度是框架结构优化设计的重要内容,设置BRB 是改善框架结构抗震性能的重要途径.文章以高烈度区一栋BRB体系的框架结构教学楼为例,采用有限元软件ETABS建立三维弹塑性分析模型,并对其进行动力弹塑性分析,研究其结构的抗震性能.结果表明:罕遇地震下主体结构的弹塑性层间位移角＜1/50;主体结构框架梁柱出现的塑性铰的状态基本处于承载力不致严重降低的水平,主体结构的变形指标满足抗震性能的要求;BRB在罕遇地震下能有效发挥屈服耗能作用,其滞回曲线较为饱满,能够起到抑制结构在罕遇地震下变形的作用.
【期刊名称】《山东建筑大学学报》
【年(卷),期】2018(033)004
【总页数】6页(P33-38)
【关键词】框架—BRB体系;抗震性能;动力弹塑性分析;罕遇地震
【作者】柳晓博;孟凡涛;阮兴群;张玉明
【作者单位】山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城252000;山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城252000;山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城252000;山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城252000
【正文语种】中文
【中图分类】TU318;TU352
0 引言
消能减震技术［1］是在结构的某些部位设置消能减震器，利用其耗散结构变形造成的振动能量，使得建筑结构在地震作用下的反应明显减弱的技术。

目前此项技术在美国、日本得到了广泛应用。

Constantinou等对设置阻尼器的结构进行了深入细致的分析［2］。

李爱群对国内外消能减震技术的应用进行了详细的介绍，对推动国内消能减震技术的发展起到了引领与推动作用［3］。

自 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［4］中吸收消能减震技术以后，此项技术在国内取得了长足的发展。

JGJ 297—2013《建筑消能减震技术规程》［5］的颁布实施，标志着国内消能减震技术的蓬勃发展和日趋完善［6－11］。

防屈曲支撑 BRB （Buckling Restrained Brace）作为一种位移相关型消能装置，由于其构造简单、耗能能力稳定，已广泛应用于建筑工程实践［12－13］。

叶列平等对高烈度区采
用BRB的钢结构工程进行了动力弹塑性分析［6］，对BRB在实际工程中的应用
起到了参考借鉴作用。

但是，目前在高烈度区的钢筋混凝土结构中设置BRB的工
程实例分析较少，因此，文章对高烈度区设置BRB的一栋小学教学楼钢筋混凝土
结构工程，采用动力弹塑性分析，研究其抗震性能，为高烈度区的框架结构抗震性能化设计提供了一个实例。

1 工程概况
高烈度区的一栋小学教学楼，总建筑面积为8096 m2，共4层，无地下室，山字
形平面，分成2个结构单元，均采用钢筋混凝土框架—BRB结构形式。

工程的抗
震设防烈度［4］为 8度（0．2g），所建区域的场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第1组，场地特征周期为0．45 s。

其平面结构布置及BRB布置如图1所示（屈曲约束支撑BRB采用耗能型BRB［14］，多遇地震下不考虑BRB屈服耗能，仅提供刚度，设防地震、罕遇地震时考虑BRB屈服耗能。

因此，多遇地震下不考
虑BRB提供给主体结构附加阻尼比的问题）。

图1 BRB平面布置图／mm
2 框架—BRB体系教学楼有限元模型建立
采用PKPM进行弹性计算，BRB位置的布置主要按照如下原则考虑：（1）遵循
整体均匀、局部集中的原则，并尽量对称布置；（2）BRB尽量布置在结构的外围，以便改善结构的扭转效应，提高罕遇地震下BRB的耗能效率；（3）尽量不在小跨布置BRB，否则BRB不能充分发挥其耗能作用；（4）紧密结合建筑功能，在不
影响建筑功能的情况下，尽量选择在有隔墙的位置布设BRB，以便BRB能够隐藏在后砌隔墙内，使得建筑物交付使用后，尽量不使BRB外露，避免影响建筑美观。

多遇地震下的计算结果在满足GB 50011—2010［4］的位移角和位移比要求下，控制BRB的应力比约为0．7～0．8，若应力比控制过高，BRB在小震下过早屈服，达不到预期的性能目标；若应力比控制过低，进入设防地震及大震后不能进入屈服状态，起不到耗能、保护主体结构的作用。

利用YJK中的模型导入、导出接
口功能将PKPM模型数据导入YJK，再导入ETABS，在其中进行罕遇地震作用下
参数的定义及分析。

2．1 框架梁柱构件的非弹性参数
在框架梁和框架柱的端部集中设置塑性铰，模拟框架梁和框架柱的非弹性变形。

ETABS中塑性铰的变形骨架曲线为 FEMA－356［15－16］倡导的四折线骨架曲线，如图2所示。

框架梁和框架柱按指定的塑性铰属性，可考虑塑性变形下框架
梁和框架柱的变刚度特性。

分析ETABS显示的塑性铰性能阶段可直观地判别框柱梁和框架柱的损伤程度。

图2 塑性骨架曲线示意图
鉴于存在杆件内力耦合的效应，在塑性变形骨架曲线的基础上，利用P－M2－M3铰模拟框架柱端塑性铰，P－M3铰模拟框架梁端塑性铰。

框架柱塑性铰轴力—弯
矩相关曲面如图3所示，框架梁塑性铰弯矩—转角曲线如图4所示。

图3 框架柱铰屈服面图
图4 框架梁铰屈服面图
2．2 支撑构件非线性参数
运用非线性连接单元模拟支撑的非线性行为。

在ETABS中采用Wen单元模拟支撑的非线性行为如图5所示。

BRB弹性刚度由支撑核芯面积、弹性模量和支撑有效长度决定（见表1），关于支撑等效面积的计算参考厂家提供的产品设计手册。

计算罕遇地震作用时，在ETABS中把YJK软件导入的模型中的斜杆支撑改为非线性连接单元，非线性连接单元为 Wen塑性单元［15－16］。

所设计的
BRB的计算参数见表1。

图5 单轴塑性Wen单元示意图
表1 BRB参数表楼层支撑编号屈服承载力／kN支撑轴线长度／mm支撑等效截面面积／mm2 1 BRB1－1 1151．5 6670．8 4900 BRB1－2 1504 5705．5 6400 2 BRB2－1 1151．5 6242．6 4900 BRB2－2 1504 5198．3 6400 3 BRB2－1 1151．5 6242．6 4900 BRB2－2 1504 5198．3 6400 4 BRB3－1 1151．5 6242．6 4900 BRB3－2 1504 5198．3 6400
2．3 地震记录的选择
按 GB 50011—2010［4］要求，筛选了2条人工波和5条实际地震波。

利用ETABS有限元分析程序内的地震波库，所选择的地震波的信息见表2。

参照8度（0．2g）的反应谱，由相应辅助程序随机生成两条人工波。

地震波与规范反应谱的对照如图6、7所示。

表2 天然波记录信息表天然波1 CPC＿TOPANGA CANYON＿16＿nor 1994－01－17天然波2 CPC＿TOPANGA CANYON＿74＿nor 1994－01－17天然波3 EMC＿FAIRVIEW AVE＿00＿w 1987－10－01天然波4 EMC＿FAIRVIEW
AVE＿90＿w 1987－10－01天然波5 LWD＿DEL AMO BLVD＿00＿nor 1994
－01－17
2．4 有限元模型建立
根据所分析结构的特点，建立的三维ETABS模型如图8所示。

图6 7条地震波与规范反应谱对比图
图7 7条波的平均谱与规范反应谱对比图
图8 结构三维计算模型图
3 框架—BRB体系教学楼抗震性能分析
采用ETABS软件进行计算，并建立框架梁铰、框架柱铰模拟框架梁和框架柱的塑
性变形，利用非线性连接单元中Wen塑性单元模拟BRB的耗能情况［15］。

通
过弹塑性分析测验8度（0．2g）罕遇地震作用下结构的非线性变形状态，研究主体结构在遭遇罕遇地震作用时的变形情况、构件塑性发展状况和主体结构整体的非弹性行为，剖析8度（0．2g）罕遇地震下结构的最大弹塑性层间位移角，整个结构在8度（0．2g）罕遇地震作用下的耗能能力和BRB在8度（0．2g）罕遇地
震作用下的耗能特性。

3．1 弹塑性层间位移角
按照8度（0．2g）罕遇地震、多遇地震时程法、反应谱法分析的结果，对照GB 50011—2010［4］的有关规定，计算的结构罕遇地震下层间位移角x向最大为1／85，y向最大为1／115。

设防地震下结构层间位移角x向最大为1／225，而y 向最大为1／225。

8度（0．2g）罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角，接近GB 50011—2010［4］弹塑性层间位移角限值的1／2，其变形量约为弹性层间位移角限值的4倍。

设防
地震下层间位移角小于弹性层间位移角限值的2倍，满足 GB 50011—2010［4］附录 M．1．1－2规定的性能3的规范要求。

3．2 结构损伤
根据所选择的5条天然地震波记录和2条人工地震波记录，分别按结构的x、y向输入，进行动力弹塑性时程分析，结构典型的框架梁和框架柱的塑性铰分布如图9～10所示。

根据所出现的梁柱塑性铰状态，亦可验证2节所述的支撑布置原则，遭遇罕遇地震作用时，结构的小跨距处，框架柱首先在柱底出现塑性铰，而小跨距处的梁柱塑性铰状态比大跨处的梁柱塑性铰相对严重，如图10（c）、（d）所示。

因此在小跨距处不应布置BRB，因为此位置的框架梁和框架柱的延性较差，BRB
的耗能效率较低。

设防地震下结构仅部分框架梁和框架柱出铰，且塑性铰的状态处于IO状态，而且仅局部楼层的个别BRB构件出现屈服耗能现象，BRB变形较小，故设防地震下结构损伤较轻。

根据动力弹塑性时程的计算结果分析可知，主体结构在8度（0．2g）罕遇地震作用下，框架梁和框架柱均普遍出现了塑性铰，但大部分塑性铰处于IO或CP状态，罕遇地震作用下由于BRB的屈服耗能作用，消耗了一部分能量，有利的缓解了框
架梁和框架柱的耗能作用，因此，主体结构的框架梁和框架柱的塑性铰处于承载力非严重降低的状态。

图9 x向典型工况下2－1轴梁柱出铰状态图
图10 y向典型工况下2－6轴处梁柱出铰状态图
3．3 BRB滞回耗能
BRB按Wen单元模拟，并且考虑了连接的非线性性质，由于设防地震下仅有个别楼层的BRB屈服耗能，故整体结构中的BRB耗能效果不明显。

罕遇地震下典型工况的BRB滞回曲线如图11所示。

BRB在8度（0．2g）罕遇地震作用下，能够
进入屈服阶段耗能，因此，主体结构在8度（0．2g）罕遇地震作用下的变形较纯框架结构的变形减小，使得框架梁和框架柱的塑性铰处于承载力非严重降低的状态。

图11 BRB 17在典型工况作用下的滞回曲线图
4 结论
通过上述研究可知：
（1）BRB的屈服耗能，吸收了一部分地震能量，缓解了框架梁和框架柱的耗能作用，导致在罕遇地震下，框架结构的层间位移角＜1／50。

（2）主体结构在框架梁端及框架柱端均不同程度地出现了塑性铰，但框架梁柱塑性铰的状态基本处于承载力不致严重降低的水平，主体结构的变形指标满足抗震性能的要求。

（3）BRB在罕遇地震下发生屈服耗能，其滞回曲线较为饱满，BRB耗能功能的发挥有效地保护了主体结构的框架梁和框架柱，能够起到抑制结构在罕遇地震下变形的作用。

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