【002】防屈曲支撑在超高层建筑结构伸臂桁架中的应用_任重翠

图 3 防屈曲支撑构造示意图
在 纵 向 构 造 上 ，防 屈 曲 支 撑 由 约 束 屈 服 段 、约 束 非 屈 服 段 、无 约 束 非 屈 服 段 、无 粘 结 可 膨 胀 材 料 和 屈 曲约束机构组成，如图 3（ b） 所示。约束屈服段在反 复荷载作用下屈服，是主要的耗能部位； 约束非屈服 段 包 在 套 管 和 砂 浆 内 ，是 约 束 屈 服 段 的 延 伸 部 分 ，作 为与无约束非屈服段的过渡部分； 无约束非屈服段 是支撑与框架连接 部 分，通 常 采 用 螺 栓 连 接 或 焊 接
第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上
建筑结构 Building Structure
Vol． 43 No． 5 Mar． 2013
防屈曲支撑在超高层建筑结构伸臂桁架中的应用
任重翠， 徐自国， 肖从真， 孙建超， 金林飞， 高 杰
（ 中国建筑科学研究院，北京 100013）
［摘要］ 带加强层的超高层建筑结构多采用伸臂桁架结构形式。出于提高结构抗震性能的需要，工程中 常 采 用 拉 压性能稳定的防屈曲支撑代替易失稳的普通钢支撑作为伸臂桁架的斜腹杆。采用有限元分析软件 ABAQUS 的动 力弹塑性分析方法，比较了某超高层结构分别采用防屈 曲 支 撑 和 普 通 钢 支 撑 作 为 伸 臂 桁 架 斜 腹 杆 ，在 设 防 烈 度 和 超烈度罕遇地震作用下的结构变形特征、构件内力 及 剪 力 墙 损 伤 等 非 线 性 动 力 响 应 。 分 析 结 果 表 明，与 普 通 钢 支 撑相比，防屈曲支撑刚度和强度指标易控制，大变形下 滞 回 性 能 稳 定，罕 遇 地 震 作 用 下 能 率 先 屈 服 吸 收 地 震 能 量 ， 抗震性能良好。 ［关键词］ 超高层建筑结构； 防屈曲支撑； 动力弹塑性分析； 抗震性能 中图分类号： TU973． 2 文献标识码： A 文章编号： 1002-848X（ 2013） 05-0054-06
罕遇地震作用下呈现延性屈服机制。 防屈曲支撑兼具普通钢支撑和金属耗能阻尼器
的双重功能。在常遇地震作用下处于线弹性变形范 围，作用与普通钢支撑相似； 而在罕遇地震作用下拉 压 性 能 稳 定 ，会 率 先 屈 服 吸 收 地 震 能 量 ，提 高 结 构 的 抗 震 性 能 ，因 此 近 年 来 被 广 泛 应 用 于 各 种 实 际 工 程 。 1995 年阪 神 地 震 后，日 本 大 量 建 筑 使 用 防 屈 曲 支 撑［3］，目前已超过 500 余栋，是发展防屈曲支撑种类 最多的国家。汶川 地 震 和 玉 树 地 震 后，防 屈 曲 支 撑 因其优越的抗震性能在各类新建建筑中的应用日渐 增多，如上海世博中 心［4］ 等 超 高 层 建 筑 均 采 用 了 防 屈曲支撑作为伸臂桁架。以往关于防屈曲支撑的研 究多集中 于 考 察 其 性 能［5］； 而 在 工 程 实 践 中，防 屈 曲支撑对于提高结构体系抗震性能所起到的作用， 则更值得关注。
料 ，核 心 板 和 填 充 料 之 间 涂 了 一 层 无 粘 结 材 料 ，其 作 用是确保 核 心 板 上 的 轴 力 不 传 到 填 充 料 和 约 束 管 上 ，填 充 料 和 约 束 管 共 同 阻 止 支 撑 的 屈 曲 。
图 2 结构有限元模型及防屈曲支撑分布示意图
核心筒外墙墙厚和混凝土强度等级
1. 2 防屈曲支撑性能和布置 防屈曲支撑的典型构造如图 3（ a） 所示，主要由
两部分组成： 一是承受轴力的内核心钢板（ 一字形 或十字形等） ，二是 不 参 与 受 力，只 对 钢 支 撑 提 供 侧 向约束，防止其发生 整 体 失 稳 和 局 部 屈 曲 的 外 包 约 束套管（ 圆形或矩形） 。核心板和约束管间为填充
表1
起止楼层
1 ～6
核心筒外墙厚度 /mm 800
混凝土强度等级 C60
7 ～ 11 700 C60
12 ～ 21 22 ～ 28 29 ～ 31 32 ～ 41 42 及以上 600 500 400 400 400 C55 C50 C50 C45 C40
图 1 楼层平面示意图（ 圈出来部分为伸臂桁架）
0 引言 为有效提高结 构 整 体 抗 侧 刚 度，减 小 结 构 在 风
荷载作用下的水平 位 移，吸 收 更 多 的 水 平 荷 载 所 产 生的倾覆弯矩，超高 层 建 筑 结 构 常 采 用 在 某 些 楼 层 的核心筒和外围框架之间设置刚度较大的伸臂桁架 的措施，如上海金茂大厦（ 总高 421m，采用 3 道外伸 钢桁架） 和台 北 101 金 融 中 心 （ 总 高 508m，采 用 10 道伸臂钢桁架） 等。带伸臂桁架的超高层建筑结构 体 系 ，既 能 充 分 发 挥 材 料 的 最 大 效 应 ，又 能 提 供 更 多 变化的自由度，给建 筑 立 面 设 计 提 供 更 大 的 发 展 空 间。然而伸臂桁架虽能有效减小风荷载作用下结构 的水平位移，但在地 震 作 用 下 其 所 在 的 加 强 层 可 能 会 发 生 结 构 刚 度 突 变 和 内 力 剧 增 ，形 成 薄 弱 层 ，对 抗 震非常 不 利［1］。 伸 臂 桁 架 作 为 传 递 轴 力 给 外 框 柱 的 关 键 构 件 ，其 刚 度 、承 载 力 和 稳 定 性 等 性 能 指 标 应 得到有效保证和满足。当伸臂桁架斜腹杆采用普通 钢支撑时，为保证 支 撑 面 内、面 外 稳 定，支 撑 截 面 往 往较大，相对刚度 也 大。 改 用 防 屈 曲 支 撑 作 为 伸 臂 桁 架 斜 腹 杆 ，不 存 在 支 撑 拉 压 失 稳 问 题 ，支 撑 截 面 和 刚度 指 标 易 控 制，从 而 形 成“有 限 刚 度 ”的 加 强 层［2］，能有效 减 小 结 构 刚 度 和 内 力 的 突 变，使 其 在
Application of unbonded brace in super high-rise structure with cantilever truss Ren Chongcui，Xu Ziguo，Xiao Congzhen，Sun Jianchao，Jin Linfei，Gao Jie
（ China Academy of Building Research，Beijing 100013，China） Abstract： Cantilever truss was often adopted for super high-rise structure with the strengthening layer． Because of the stable tension and compression performance，unbonded braces were widely accepted in projects to replace the ordinary steel supports to increase structure seismic performance． Nonlinear time-history analysis method by software ABAQUS was used to analyze the seismic performance of structure with unbonded braces or ordinary steel supports under the rare earthquake， including the deformation，member force and shear wall damage etc． The results show that compared with the ordinary steel supports，the unbonded braces have good seismic performance，and the stiffness and strength can be easily controlled． Hysteretic behaviors are stable under large deformation，and can absorb the seismic energy firstly under the rare earthquake． Keywords： super high-rise structure； unbonded brace； nonlinear time-history analysis； seismic performance
环过程中，考虑了 包 辛 格 效 应，不 考 虑 刚 度 退 化，如
图 6 所示。钢材强屈比为 1. 2，极限应变为 0. 025。
混凝土采用能够考
虑 拉 压 强 度 差 异、刚 度
及 强 度 退 化、拉 压 循 环
裂缝闭合呈现的刚度恢
复等性质的弹塑性损伤
模 型 计 算，且 使 用 了 自
主开发的混凝土材料用 户子 程 序［6，7］ 模 拟 钢 筋
混凝土梁柱构件的混凝 土 材 料。 分 析 中，混 凝 土 轴 心 抗 压、抗 拉 强 度
图 6 钢材双线性 随动硬化模型
标准值 按《混 凝 土 结 构 设 计 规 范 》（ GB 50010—
2010） 表 4. 1. 3 取 值，偏 于 保 守，不 考 虑 箍 筋 的 约 束
增强效应，混凝土本构关系曲线如图 7 所示。
56
建筑结构
2013 年
连接； 无粘结 可 膨 胀 材 料 （ 橡 胶、聚 乙 烯 等 ） 可 有 效 减小或消除芯材受约束段与砂浆之间的剪力； 屈曲 约束机构主要由砂浆和中空钢套管组成。
工程采用的防屈曲支撑由中国建筑科学研究院 生产，已进行了大量试验，性能稳定，如图 4，5 所示。
图 4 防屈曲支撑构件试验和人字形立面布置示意
以某超高层结 构 为 例，通 过 动 力 弹 塑 性 时 程 分 析研究以防屈曲支撑或普通钢支撑作为伸臂桁架斜 腹杆时的结构整体 抗 震 性 能，比 较 防 屈 曲 支 撑 和 普 通 钢 支 撑 的 滞 回 性 能 、楼 层 位 移 、层 间 位 移 角 等 变 形