基于BRB不同布置-高层钢结构抗震性能的影响研究

基于BRB不同布置-高层钢结构抗震性能的影响研究

卫才皇1 ,谢修辞2

1.广州奥华建筑设计院有限公司 广东广州  510725

2.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司广东省518000

摘要：BRB在高层钢结构中的应用能够发挥支撑作用，防止建筑结构出现变形，提高建筑结构的承载力和强度。建筑工程施工的规模越来越大，在高层建筑结构中应用BRB能够有效地提高建筑结构的稳定性，发挥抗震性能。本文以BRB的不同布置在高层钢结构中的应用所产生的抗震性能为研究对象，希望能够希望通过本文的分析和探讨为高层钢结构的稳定性和强度保证提供支持。

关键词：BRB；高层钢结构；抗震性能

引言

对于高层钢结构而言，如果发生地震可能会导致整体框架结构产生较大的偏移，从而危及整体建筑的稳定性。为了保证高层钢结构的稳定性，通常情况下会建设高层钢结构抗震体系。B2B钢框架结构体系的建设，能够增加高层钢结构的稳定性，从而发挥抗震作用。为了保证BRB的建设，能够切实地发挥抗震的作用，本文选择了BRB不同布置方案并展开分析和探讨。

1 BRB概述

1.1 BRB的含义   

BRB的全称是防屈曲支撑，将BRB应用到高层钢结构中被称之为BRBF（屈曲约束支撑框架）。该结构由两部分组成，其一是十字形芯材，其二是套筒，如下图所示。两者的应用能够为钢框架结构提供支撑，从而增加整体结构的稳定性，防止外力的拉扯导致整体钢结构发生位移，从而导致巨大的经济损失和人员伤亡出现。通常情况下，导致整体钢结构产生位移的原因是地震，为了避免这种情况的出现日本学者最早提出了BRB理论。在钢框架结构中应用BRBF的方案是可以选择的，下文中将针对不同布置方案下的BRB理论应用展开分析。

1.2 BRB研究现状

关于BRB的国内研究有：王秀丽等（2007）在其文章中通过模拟分析的方式对BRB的不同布置方式进行了分析，并且根据其模拟分析的结论确定了一种合理的布置形式，该布置形式能够充分的发挥减震的作用。刘金等（2011）的文章同前者的研究主题相同，分析了不同的BRB布置方式所能够发挥的减震作用。该作者借助SAP2000共计完成了对于4种结构的分析。包恩和等（2012）在其文章中对6种不同的BRB布置方式模型进行了分析。关于BRB的国外研究有：Christopher Ariyaratana 等（2011）在其文章中针对如何提升BRB布置的效果，提高高层钢结构的稳定性提供了思路和建议。Ramiro Bazaez 等（2016）在其文章中通过大型实验对BRB的应用进行了分析，并且证明利用 BRB 可实现翻新结构高位移延展性的有效性。

2 BRB模型设计

本文所选择的研究对象是20层钢结构，其中除第一层的高度为5米外，剩余楼层高度均为4米。本建筑结构所使用的钢材料型号为为Q325，如果在本结构种应用BRB，需要使用铰接的方式，联结两端。在设置模型的过程中，本文共设计7种研究模型，分别为：F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7。这七种模型结构分别代表：没有布置BRB的高层钢结构、在高层钢结构的第3跨和第4跨设置BRB、在高层钢结构的第2跨和第5跨设置BRB、在高层钢结构的第1跨和第6跨设置BRB、在第2跨和第5跨以及第3跨和第4跨设置交错型BRB、在1～9 层的第3、4跨，10～15 层的第2、5跨，16～20 层的第1、6跨设置大V型BRB、在 1～9 层的第1、6跨，10～15 层的第2、5跨，16～20 层的第3、第4跨设置倒V型BRB。

3 BRB模型分析

3.1 静力弹塑性分析方法

    该分析方法又称之为推覆分析法。该方法的应用实质上是静力非线性计算方法，它不仅可以应用于地震预测中，而且还能够计算出目标建筑物提的抗破坏能力。该方法的应用源自于目标位移控制法，同时还结合了承载力谱法的理论。在本文的研究中分别使用AI方法和CLAP软件进行计算，希望能够通过计算和分析，确定某BRB布置方法是否能够满足高层钢结构的抗震需求。

3.1.1 静力弹塑性分析的基本原理

该方法在本次实验中的应用实际上是通过对高层钢结构逐步增加水平荷载力，从而分析出该结构的内力以及所产生的形变状况。在分析的过程中，通过地震需求谱可以确定在某种地震作用下该高层钢结构的抗震性能。应用静力弹塑性分析的基本原理下，需要作出假设，分别是：其一，假设真实的地震反应和某一等效单自由度体系的反应相关并且主要由第一振型控制结构的地震反应；其二，在本文的分析中所设定的结构沿高度和方向，其形状向量固定不变。

3.1.2 静力弹塑性分析的优势

    该方法的优势在于分析的过程较为简便，因此实验结果的准确性拥有保障。同时，该方法的应用能够帮助了解高层钢结构在侧向力的作用下所产生的弹塑性性能。另外，该方法的应用能够保护高层钢结构，在保护其不受影响的基础上开展分析工作。

3.1.3 研究结果

    应用静力弹塑性分析方法，对7个模型进行分析后得出如下结果：第一，对于没有设置BRB的高层钢结构而言，在不考虑P-Δ 效应还有技术上观察该结构的性能可以发现，每一层的梁所受到的损伤总是按照从外侧到其他部分的顺序受到破坏。第二，本文所设计的7种布置方式均符合抗震设计的需求。通过实验可以发现虽然B2B的布置方式不同，但是所有的布置方式下都能够发挥减震的作用，所有BRB 均早于梁端、柱端屈服。第三，塑性铰的成铰时序均为：首先，BRB 屈服。其次，结构达到弹性层间位移角限值 1/250。再次，梁端和柱端屈服。最后，结构达到层间位移角限制 1/50。第四，经过分析可以发现8F、4F分别是梁端和柱端的薄弱层。如果布置BRB，那么大部分情况下薄弱层都会分布在11层，无论是梁端还是柱端。当然，F5的模型显示，薄弱层分布在8层。第五，就弹塑性极限承载力和首层初刚度而言，F5的抗侧刚度良好，同时弹塑性极限承载力和首层初始刚度最大。由此可见，BRB的布置可以参考F5的模型。

3.2弹塑性动力时程分析

弹塑性动力时程分析方法，需要借助于结构动力方程，是一种数值分析方法。如果发生地震，那么通过应用弹塑性动力时程分析方法可以对建筑结构在发生地震时的同一时间和不同时间下，相同位置的变化情况进行分析。即，该方法的应用有助于分析高层钢结构的不同BRB布置方法在同一种地震强度下，所能够发挥的作用。同时，应用该方法可以明确高层钢结构的屈曲机制，从而分析该结构所存在的薄弱部分。相对比于前文中所提到的分析方法而言，本节所谈到的分析方法能够提供补充作用，为高层钢结构的非弹性地震反应状况作出分析。

在本文的研究中借助于CLAP将7种不同的布置模型，划分为了2组，完成了弹塑性动力时程分析。其中，第一组包括F1、F2、F3、F4；第二组包括F1、F5、F6、F7。希望能够分析在不同的布置方式下，BRB模型所能够发挥的抗震作用。在应用本分析方法开展分析的过程中，分别针对不同模型之间的层剪力和位移情况进行了分析[2]；同时还针对构件塑性能量和结构弹塑性能量进行了分析；另外，本分析方法还针对BRB 耗能占比情况进行了分析。通过分析上述要素，可以为选择最优的BRB布置方式提供思路和建议。

3.2.1 弹塑性动力时程分析的基本原理及假定

    该方法的基本原理在于确定地震波后观察弹塑性动力的数值，通过建立有限元计算模型，得出相应的地震动方程。通过这一过程可以明确整个建筑结构在地震发生时所做出的反应，同时还能够进一步确定该建筑结构的弹性变化和非弹性变化。如果能够确定整个钢结构的内部所发生的变化情况，以及外部所产生的变形情况，甚至能够确定产生形变的具体部位，那么就能够获得该结构的薄弱层数据，从而为加固工作的开展提供方向。应用该分析方法需要做出假设：其一，假设某建筑工程的结构为剪切型结构；其二，本文所提到的恢复力模型均为理想状态下的弹塑性模型。其三，假设结构阻尼系数为2%的刚度比例型。

3.2.2 弹塑性动力时程分析的优点

    该分析方法的优势在于能够通过设定明确的地震峰值，以及反映谱和持续时间，从而明确在某段时间下地震，对于某建筑结构所带来的影响以及该建筑结构本身的强度变化和位移状况。另外，还包括该建筑结构在此过程中所耗费的能量。持续的时间不同对于建筑结构所造成的伤害或损伤，也是存在差异的。应用本分析方法相对比于其他方式而言，能够更加明确建筑结构的各项情况变化，同时还能够准确定位结构中所存在的薄弱部分。借助本方法能够为提高高层钢结构的抗震性能，设置BRB模型提供方向，提高薄弱部分的强度，从而提升整体高层钢结构的稳定性和抗震性。

3.2.3 研究结果

运用本方法分析，将本文所设置的7个不同的BRB布置方案分成2组展开探讨，得出如下结论：

第一，地震波的作用方式不同，弹塑性层间位移角的数值也会出现差异。如果在人工地震波的作用方式下观察层间位移角的数值，可以发现所有的数值均超过1/50。如果在天然地震波 HNS 和 Kobe-ns 的作用下，可以发现所有的数值都不超过1/50。其中，对于层间位移的情况而言，按照从最高到最低的顺序排列分别是F4、F3、F2；对于抗侧能力而言，按照从最高到最低的顺序排列分别是F2、F3、F4；F5、F6、F7的整体情况变化较小，位移的情况按照从最高到最低的顺序排列分别是：F6、F7、F5；抗侧能力的变化情况按照从最高到最低的顺序排列分别是：F5、F7、F6。由此可见，第5种布置方式所产生的抗震性能最佳，位移最低，抗侧力最高。

第二，在考虑 P-Δ 效应的情况下，三种地震波所产生的最大剪力层作用力按照从高到低的顺序分别是：San-ew、HNS、Kobe-ns。其中，前两者的影响下，每一个模型层的剪力都按照楼层从低到高的顺序逐渐减小，并且保持均匀减小的状态。但是在第三种地震波的影响下，每一个模型的剪力都按照楼层由低到高的顺序逐渐增加。如果考虑 P-Δ 效应的情况，也是如此。同时，第5种和第6种以及第7种布置方式所产生的效果优于第2种、第3种和第4种复制方式，优于没有布置BRB的框架结构。

第三，应用本分析方法可以明确，如果在高层钢结构中应用BRB模型，那么就能够明显吸收层能量，从而发挥减震的效果。在 HNS 和 San-ew 地震波作用下，受第一振型影响明显。同时，能量最大值更加集中于中部楼层和低部楼层。但是，在 Kobe-ns 地震波作用下，受第二振型影响明显。但是相对比而言，能量的最大值更加集中于中部楼层和高部楼层。观察没有设置BRB的模型可以发现，无论是HNS，还是Kobe-ns都没有产生明显的地震波。但是，在 San-ew 地震波作用下，层能量受第一振型影响明显[2]。在 HNS 地震波作用下，第2种模型吸收的层能量明显大于第3种模型和第4种模型。另外，第5种、第6种和第7种布置方式所能够吸收的能量没有较大的差异。

第四，HNS和Kobe-ns的地震波对于梁端所产生的影响不同，前者对于没有设置BRB的模型以及第5种模型的3楼将会产生影响，但是后者却不会对没有设置BRB的模型产生影响，对于第5种模型产生的影响也微乎其微。由此可见，设置BRB有利于保护梁端。

第五，虽然地震波的作用不同，但是不同的模型所呈现的规律却是相同的。整体而言，BRB的能量跟随楼层的增加而逐步减小，这意味着布置BRB能够发挥抗震的作用，尤其是对于高层钢结构而言。对比不同的布置方式所能够吸收的能量，按照从高到低的顺序排列分别是：F5、F7、F6、F2、F3、F4。由此可见，第五种布置方式所能够发挥的作用是最佳的[3]。

第六，没有设置BRB的高层钢结构模型在不同的地震波影响下将会产生较大的残余变形，这种变形以San-ew地震波最为明显。观察变形的数值可以发现，在中部层时将会达到最大值。相对比而言，设置B2B的高层钢结构模型，无论设置的方式有何差异，所受到的San-ew地震波影响都是微乎其微的。

第七，对比不同的B2B布置方式的耗能可以发现，F5的耗能最高，其次是F7、F6、F2、F3、F4。

4 结束语

    综上所述，在本文的研究中选取了层高为20的高层钢框架结构，设置了7种模型展开分析和探讨。通过本文的分析和探讨明确，本文中所提到的第5种布置方式能够发挥最优的抗震性能。

参考文献：

[1]BRB加固震损框架抗震性能试验研究[J]. 王婷,杨勇,张磊.  建筑结构. 2021(02)

[2]钢板装配式屈曲约束支撑RC框架平面外力学性能试验研究[J]. 钟根全,周云,曹邕生,邓雪松,陈清祥.  土木工程学报.2020(11)

[3]全钢双芯板屈曲约束支撑的有限元分析[J]. 石文龙,张润键.  结构工程师. 2020(05)